水工建筑物教材幻灯片(1).ppt

'五、浪压力水面在风作用下，形成波浪而产生压力，称浪压力。1．波浪要素平均波高(hm)，平均坡长（Lm），平均波周期（Tm）；其值大小与水面尺寸、形状、风力、、库区的地形等有关。当坝（闸）迎水面垂直时，反射作用形成驻波，其波高为2hm，波长不变。 2．波浪要素计算1）对滨海地区、平原水闸等用莆田公式当当式中：hm——平均波高（m）；Tm——平均波周期（s）;Hm——水域平均水深（m）；vo——计算风速（m/s）；D——风区长度（m）。 2)对丘陵、平原水库，值按鹤地公式计算：式中：h2%——累积频率为2%的波高（m）；Lm——平均波长（m）。鹤地公式适用于水深较大，计算风速vo＜26.5m/s，风区长度D＜7.5km的水库。 3）对内陆峡谷水库，宜按官厅公式计算：式中：当=20-250时，为频率5%的波高h5%。式中：当=250-1000时，为频率10%波高h10%。波浪受风速等影响，波浪参数并非定值。不同波高所对应的超值累积频率为P%的数值不同。在I、II、III级建筑物的设计中，宜用合适的超值累积频率为P%的波高hp计算波浪压力。累积频率波高hp与平均波高hm的关系可按表2-3进行换算。 hp/Hmp(%)0.1123451013205002.972.422.232.112.021.951.711.611.430.940.12.702.262.092.001.921.871.651.561.410.940.22.460.980.32.231.000.42.011.781.681.641.601.561.441.391.301.010.51.801.631.561.521.491.461.371.331.251.01表2-3累积频率波高hp与平均波高Hm的比值 对计算风速，指水面以上10m高处10min多年最大平均风速，当测点在水面上Zm处，应乘以高度修正系数KZ（见表2-4）表2-4风速高度修正系数水库为正常和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速或采用重现期为50年一遇的年最大风速的1.5—2.0倍；校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。高度（m）25101520修正系数1.251.101.00.960.90 3.波浪压力计算求出hm、hp、Lm等，并根据坝闸前水深，计算作用在坝闸上的波浪压力。1）当水深H≥HcrH≥Lm/2时,浪压力为：其中： 坝的迎水面倾斜，波浪的反射作用将减弱当α＞45°时 与铅直面情况相近作用在铅直迎水面上的风浪压力计算示意图： 2）当水深H≥HcrH＜Lm/2时,浪压力为：建筑物底部浪压力剩余强度：3）当水深H＜Hcr时，浪压力为：水面处的浪压力强度p0：底坡影响系数Ki，按表2-5采用。底坡1/101/201/301/401/501/601/801/100系数1.891.611.481.411.361.331.291.25 六、地震作用力1）土石坝和混凝土坝的水平向地震力，只考虑顺水流方向；两岸陡坡上的重力坝段和砼拱坝尚应计入垂直河流方向；2）闸墩、进水塔、闸顶机架桥和其它两个主轴方向刚度接近的水工结构，应考虑结构两个主轴方向的水平向地震作用；3）当设计烈度为8、9度，1、2级坝等挡水建筑物和长悬臂、大跨度及高耸的水工砼结构，应同时计入水平向和竖直向地震作用；4）严格不对称或空腹等特殊型式的拱坝，以及设计烈度为8、9度的1、2级双曲拱坝，竖向地震作用宜作专门研究。对具体建筑物，应包括建筑物自重及其上部永久设备自重所产生的地震惯性力；地震作用于库内水介质后而产生的地震动水压力以及地震动土压力。 地震作用力计算（1）地震惯性力地震时，各种水工建筑物随地壳而加速运动，由于其自重而产生地震惯性力。地震惯力的方向是任意的，和地震加速度的方向相反。其可分为水平和竖向地震惯性力。1）水平地震惯性力采用拟静力法计算地震作用效应时，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值应按下式计算： 2）垂直地震惯性力作用于质点i的垂直向地震惯性力代表值应按下式计算：以上二式中：Fi、Fi—作用于质点i的垂直、水平地震惯性力代表值，KN/m；ξ—地震作用的效应折减系数，一般取ζ=0.25；GEi—集中在质点i的重力作用标准值，（KN）；g—重力加速度，取9.81m/s2；αh—垂直、水平向设计地震加速度代表值，可由表2-7确定。且：αv=1/3(αh）αi—质点i的动态分布系数；与坝型、高度等有关。 设计烈度789备注αh0.1g0.2g0.4g表2—7对重力坝：式中：hi、hj—分别分质点i、j的高度，（m）；H—坝高（m），溢流坝段的H应算至坝顶；GE——产生地震惯性力的建筑物总重力作用标准值，KN。 对土石坝及拱坝，αi值可按表2-8确定。表中值在设计烈度为7，8，9度时，αm分别取3.0，2.5和2.0。 水闸各结构物的αi值可的安表2-9确定。 （2）地震动水压力地震时，水体随之运动。此时水体对坝迎水面产生激荡力。对水闸、重力坝等上游面垂直的情况下，水深y处的地震动水压力代表值应按下式计算：地震动水压力总值为：合力在水面下0.54H处 地震动水压力分布系数 地震动水压力分布系数，应按表2-10的规定并见右图 （3）地震动土压力当重力坝或水闸一侧有填土时，则应考虑地震引起的土体对结构产生的动态压力，即地震动土压力。地震主动动土压力代表值可按式（2-35）计算，并取其“+”、“－”号计算结果中的大值。 1.围堰压力在山体中开挖后，岩体原有平衡被破坏，洞周围岩变形，应力重新分布。当岩体较破碎时，其可能产生塌落、滑移，而施加在隧洞衬砌上压力，称为围岩压力。对于薄层状及碎裂、散体结构的围岩，垂直均布和水平均布山岩压力标准值可按下式确定，并据实进行修正：七、山体围岩压力及弹性抗力 式中：q、e—垂直均布山岩压力（KN/m3）；B—洞室开挖宽度(m)；γR—岩体重度（KN/m3）SySx——水平均布山岩压力标准值（KN/m2）H—洞室开挖高度(m)。 hHqBL垂直压强系数Bh岩石容重。 在什么情况下可考虑弹性抗力？①围岩厚度大于隧洞开挖直径的3倍。②洞周没有不利的滑动面，在内水压力作用下不致产生滑动和抬动。③衬砌和围岩的空隙，必须回填结实。④围岩厚度大于内水压力水头的0.4倍2.围岩的弹性抗力当衬砌承受荷载向围岩方向变形时，将受到围岩的抵抗，这个抵抗力叫弹性抗力。 弹性抗力的计算：假定岩石为理想弹性体，按文克尔假定，认为岩石的弹性抗力P0与衬砌的变位成正比，即：P0=Kδ式中：K—弹力抗力系数，K表示能够阻止面积为1cm2的衬砌变位1cm所需的力，如果P的单位式KN/cm3，则K的单位KN/cm2。当开挖半径为100时的弹抗系数k0且：k=100k0/reδ—围岩受力面的法向位移，cm. 围岩的压力系数、弹性抗力系数表： 各种水工建筑物受到自然界风、雪的作用称为风荷载、雪荷载。对渡槽、进水塔、启闭机房等高耸结构，必须计入风、雪荷载的作用。1．风荷载垂直作用于建筑物侧表面上的风荷载标准值可按下式计算。风荷载作用分项系数采用1.3。式中：Wk—风荷载标准值，（KN/m2）；βz—z高度处的风振系数；μz—风荷载体形系数，水工建筑物的风荷载体形系数，风振系数可参照GBJ50009-200《建筑结构荷载设计规范》中有关规定采用；八、风荷载及雪荷载 w0—基本风压（KN/m2）。可由计算。基本风压可按GBJ50009-200《建筑结构荷载设计规范》中全国基本风压分布图采用，但不得小于0.3KN/m2。对于高耸结构，可将分布图中基本风压乘1.1—1.2的系数；μz—风压高度变化系数，可按下表采用； 如没有建设地基本风压值，其可按下法确定：（1）根据当地年最大风速资料，按基本风压的定义（2）当地没有风速资料时，可根据附近地区的基本风压通过气象和地形条件的对比分析确定。一般情况可按邻地区的基本风压值乘以调整系数，对山间盆地闭塞地区为0.75—0.85，大风山口处可取1.2—1.5。沿海海岛的基本风压，当缺乏实测资料时，可按陆地上基本风压乘以表2-17所示的调整系数。风荷载作用分项系数应取1.3。 2．雪荷载对电站厂房、泵站厂房、渡槽等建筑物顶面，由于降雪时的积雪对其作用称为雪荷载。对厂房等建筑物顶面水平投影面上的雪荷载标准值，应按式（2-49）计算：雪荷载的作用分项系数应采用1.3。式中：Sk——雪荷载标准值（KN/m2）；μr——建筑物顶面积雪分布系数；与属于类型有关，其数值参考GB50009-2000《建筑结构荷载规范》有关规定；S0——基本雪压（KN/m2）。基本雪压根据当地气象台观测雪深资料，经统计得出50年一遇最大雪深与当地的积雪平均密度的乘积。 十、其它荷载1．温度作用温度作用是与结构特征相关的间接作用，当气温或水温发生变化，使结构产生膨胀或收缩。而结构伸缩受到约束时，在结构内部产生附加温度作用效应。在超静定结构或大体积砼结构中应考虑温度作用。温度作用荷载分项系数取1.3。2．灌浆压力在水工结构设计施工中，常常为填充、加固两种结构缝面或岩石裂隙而进行压力灌浆。压力灌浆可分为固结灌浆、接触灌浆及接缝灌浆等几种。一般只考虑地下结构的砼衬砌拱顶与围岩之间的回填灌浆压力； 第二节作用分类和作用效应组合一、作用及分类结构上的作用，通常是指对结构产生效应（内力、变形）的各种原因的总称，并可分为直接作用和间接作用。所谓直接作用是指直接施加在结构上的分布力或集中力，亦可称“荷载”；间接作用则指因外部环境（改变）的原因使结构产生附加变形或约束变形，如温度地震作用等。 结构上的各种作用，按其随时间的变异分三种：（1）永久作用：是指在设计基准期内，其量值不随时间变化或其变化与平均值相比可忽略不计的作用。包括：结构自重；土压力淤沙压力；围岩压力预应力等。（2）可变作用：指在设计基准期内量值随时间变化，且变化与平均值相比不可忽略的作用；包括:静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、外水压力、风雪荷载、冰压力、温度作用、灌浆压力等。（3）偶然作用：指在设计基准期内出现概率很小，一旦出现量值很大且持续时间很短的作用，包括：地震作用、校核洪水位时的静水压力等。采用分项系数设计方法时，设计表达式中作用变量所采用的值，称为设计代表值。对永久作用和可变作用的代表值应采用作用的标准值，偶然作用的代表值按有关规范确定。 结构承载能力极限状态:一般是以结构或结构构件达到最大承载能力或不适宜于继续承载变形为依据。以“应力、力矩”等控制。正常使用极限状态:是以结构或结构构件达到正常使用或耐久性要求的某一功能限值为依据。以位移、裂缝等控制。水工结构设计时，应根据不同设计状况，可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用效应组合，并采用各自最不利的组合进行设计。作用效应是指作用对结构所产生的内力和变形位移、裂缝等。二、作用效应组合 结构设计状况可分为三种类型：（1）持久状况：在结构正常使用过程持续期很长，与结构设计基准期为同一数量级的设计状况；（2）短暂状况：在结构施工（安装）、检修或使用过程中必然且短暂出现的设计状况；（3）偶然状况：在结构使用过程中，出现概率很小，持续期很短的设计状况。对持久状况、短暂状况、偶然状况均应按承载能力极限状态进行设计。持久状况和短暂状况下作用组合称基本组合；偶然状况下效应组合称为偶然组合，它是指永久作用、可变作用与一种偶然作用的效应组合。 分项系数承载能力极限状态的基本组合设计表达式≤式中：S（●）——作用效应函数R（●）——结构抗力函数；承载能力极限状态的偶然组合设计表达式：≤正常使用极限状态设计表达式：长期效应组合：短期效应组合：≤≤'