荷载计算与组合.

职业教育水利水电建筑工程专业水工建筑物项目化实训包——水闸实训包荷载计算与组合《水工建筑物项目化实训包》项目组2015年3月荷载计算与组合1.《水闸设计规范》规定：（1）作用在水闸上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类.基本荷载主要有下列各项：1)水闸结构及其上部填料和永久设备的自重；2)相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下水闸底板上的水重；3)相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；4)相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力(即浮托力与渗透压力之和)；5)土压力；6)淤沙压力；7)风压力；8)相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；9)冰压力；10)土的冻胀力；11)其它出现机会较多的荷载等.特殊荷载主要有下列各项：1)相应于校核洪水位情况下水闸底板上的水重；2)相应于校核洪水位情况下的静水压力；3)相应于校核洪水位情况下的扬压力；4)相应于校核洪水位情况下的浪压力；5)地震荷载；6)其他出现机会较少的荷载等.（2）水闸结构及其上部填料的自重应按其几何尺寸及材料重度计算确定.闸门,启闭机及其他永久设备应尽量采用实际重量.（3）作用在水闸底板上的水重应按其实际体积及水的重度计算确定.多泥沙河流上的水闸,还应考虑含沙量对水的重度的影响.（4）作用在水闸上的静水压力应根据水闸不同运用情况时的上,下游水位组合条件计算确定.多泥沙河流上的水闸,还应考虑含沙量对水的重度的影响.（5）作用在水闸基础底面的扬压力应根据地基类别,防渗排水布置及水闸上,下游水位组合条件计算确定.（6）作用在水闸上的土压力应根据填土性质,挡土高度,填土内的地下水位,填土顶面坡角及超荷载等计算确定.对于向外侧移动或转动的挡土结构,可按主动土压力计算；对于保持静止不动的挡土结构,可按静止土压力计算.土压力计算公式见附录D.（7）作用在水闸上的淤沙压力应根据水闸上,下游可能淤积的厚度及泥沙重度等计算确定.（8）作用在水闸上的风压力应根据当地气象台站提供的风向,风速和水闸受风面积等计算确定.计算风压力时应考虑水闸周围地形,地貌及附近建筑物的影响.（9）作用在水闸上的浪压力应根据水闸闸前风向,风速,风区长度(吹程),风区内的平均水深以及闸前实际波态的判别等计算确定.浪压力计算公式见附录E.（10）作用在水闸上的冰压力,土的冻胀力,地震荷载以及其他荷载,可按国家现行的有关标准的规定计算确定.施工过程中各个阶段的临时荷载应根据工程实际情况确定.（11）设计水闸时,应将可能同时作用的各种荷载进行组合.荷载组合可分为基本组合和特殊组合两类.基本组合由基本荷载组成；特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成,但地震荷载只应与正常蓄水位情况下的相应荷载组合.计算闸室稳定和应力时的荷载组合可按表1的规定采用.必要时还可考虑其他可能的不利组合.表1 荷载组合表荷载组合计算情况荷载沙压力压力压力压力冻胀力震荷载其它说明基本组合完建情况√ - - - √ - - - - - - √必要时,可考虑地下水产生的扬压力正常蓄水位情况√√√√√√√√ - - - √按正常蓄水位组合计算水重,静水压力,扬压力及浪压力设计洪水位情况√√√√√√√√ - - - -按设计洪水位组合计算水重,静水压力,扬压力及浪压力冰冻情况√√√√√√√ - √√ - √按正常蓄水位组合计算水重,静水压力,扬压力及冰压力特殊施工情况√ - - - √ - - - - - - √应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载组合检修情况√ - √√√√√√ - - - √按正常蓄水位组合(必要时可按设计洪水位组合或冬季低水位条件)计算静水压力,扬压力及浪压力校核洪水位情况√√√√√√√√ - - - -按校核洪水位组合计算水重,静水压力,扬压力及浪压力地震情况√√√√√√√√ - - √ - 按正常蓄水位组合计算水重,静水压力,扬压力及浪压力（12）计算岸墙,翼墙稳定和应力时的荷载组合可按本规范表1的规定采用,并应验算施工期,完建期和检修期(墙前无水和墙后有地下水)等情况.2、荷载计算和组合对于孔数较少而未分缝的小型水闸，可取整个闸室（包括边墩）作为验算单元；对于孔数较多设有沉降缝的水闸，则应取两缝之间的闸室单元分别进行验算。

水闸挡水情况荷载示意图水闸承受的主要荷载：自重、水重、水平水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力、土压力及地震荷载等。

2.1自重：（包括永久设备自重）坝体自重W 标准值计算公式：γcV W = （kN/m ）式中：V ——坝体体积（m3）；γc ——坝体混凝土的重度（kN/m3）。

计算自重时，坝上永久性的固定设备，如闸门、固定式启闭机的重量也应计算在内，坝内较大的孔洞应该扣除。

坝体自重的作用分项系数为1.0。

永久设备自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时采用1.05，有利时采用0.95。

2.2水重当上、下游坝面倾斜时，应计入竖向静水压力。

2.3泥沙压力：概念：入库水流挟带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力。

泥沙压力计算图计算公式：)245(2122s ssb sk tg h p ϕγ-︒= （kN/m ） 式中 sb γ——泥沙的浮重度（kN/m3），w sd sb n γγγ)1(--=sd γ——泥沙的干重度（kN/m3）； w γ——水的重度（kN/m3）；n ——泥沙的孔隙率；s h ——坝前估算的泥沙淤积厚度（m ）；s ϕ——泥沙的内摩擦角（°）。

当上游坝面倾斜时，应计入竖向淤沙压力，按淤沙的浮重度计算。

淤沙压力的作用分项系数采用1.2。

2.4 坝底面上的扬压力：讲解扬压力的组成及其概念：扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。

渗透压力是由上下游水位差产生的渗流而在坝内或坝基面上形成的向上的压力。

浮托力是由下游水深淹没坝体计算截面而产生向上的压力。

扬压力的分布与坝体结构，上下游水位，防渗排水设施等因素有关。

当坝基设有防渗和排水幕时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为1H ；排水孔中心线处的扬压力作用水头为H H α+2（21H H H -=）；下游（坝趾）处为2H ；三者之间用直线连接。

当坝基设有防渗帷幕、上游主排水孔幕、下游副排水孔及抽排系统时，坝底面上游处的扬压力作用水头为1H ，下游坝趾处为2H ，主、副排水孔中心线处分别为11H α、22H α，其间各段用直线连接。

当坝基无防渗、排水幕时，坝底面上游处的扬压力作用水头为1H ，下游处为2H ，其间用直线连接。

2.5土压力按主动土压力计算。

2.6波浪压力平原、滨海地区水闸按莆田试验站公式计算2V gh m和0V gT m：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=7.02045.0207.020207.013.00018.07.013.0v gH th v gD th v gH th v gh m mm5.0209.13⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=v gh v gT m m式中 hm —平均波高（m ）；V0—计算风速（m/s ），可采用当地气象台站提供的30年一遇10min 平均最大风速； D —风区长度（m ），当对岸最远水面距离不超过水闸前沿水面宽度5倍时，可采用对岸至水闸前沿的直线距离；当对岸最远水面距离超过水闸前沿宽度5倍时，可采用水闸前沿水面宽度的5倍；Hm —风区内的平均水深（m ），可由沿风向的地形剖面图求得，其计算水位与相应计算情况下的静水位一致；Tm —平均波周期（S ）。

查得水闸的设计波列累积频率P （％）值。

计算hP 。

波长值计算波浪压力时分别按下列规定进行1）当K H H ≥和2m LH ≥时，波浪压力可按下式计算。

()z p m L h h L P +=γ41m mpz L H cthL h h ππ22=式中 L P —作用于水闸迎水面上的浪压力（KN/m ）；p h —累积频率为P （%）的波高（m ）；z h —波浪中心超出计算水位的高度（m ）； HK —使波浪破碎的临界水深（m ）。

2）当K H H ≥和2mL H <时，波浪压力按下式计算。

()()[]s s z p l Hp p H h h p +++=γ21mp s L Hhh p πγ2sec =式中 ps —闸墩（闸门）底面处的剩余浪压力强度（Kpa ）。

3）当H<HK 时，波浪压力可按下式计算。

.()()()[]H h h P P z p j l λλ+++-=7.05.05.121()z p i j h h K P +=γ式中 Pj —计算水位处的浪压力强度（kpa ）；λ—闸墩（闸门）底面处的浪压力强度折减系数，当()z p h h H +≤7.1时，可采用0.6;当()z p h h H +>7.1时,可采用0.5;Ki —闸前河（渠）底坡影响系数。

2.7水平水压力指作用于胸墙、闸门、闸墩及底板上的水平水压力。

上下游应分别计算。

图示讲解：作用在铺盖与底板连接处的水压力a ）粘土铺盖与底板的连接；（b ）混凝土铺盖与底板的连接粘土铺盖：a 点压强按静水压力计算，b 点取该点的扬压力值,两者之间按线性规律考虑。

混凝土铺盖：止水片以上仍按静水压力计算，以下按梯形分布，d 点取该点的扬压力值，止水片底面c 点的水压力等于该点的浮托力加e 点处的渗透压力，即认为c 、e 点间无渗压水头损失。

2.8地震荷载地震区修建水闸。

当设计烈度≧7度时，需考虑地震影响。

地震荷载应包括建筑物自重以及其上的设备自重所产生的地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力。

（1）、地震惯性力：采用拟静力法 计算公式：gG F i Ei n i /αζα=式中 i F —作用在质点i 的水平向地震惯性力代表值；n α—水平向设计地面加速度代表值；ζ—地面作用的效应折减系数，除另有规定外，取0.25；Ei G —集中在质点i 的重力作用标准值；i α—质点i 的动态分布系数； g —重力加速度。

（2）、地震动水压力：采用拟静力法直立坝面水深y 处的地震动水压力代表值Pw （h ）：H h n h P w w ρξϕα)()(= （kN/m ）式中 )(h P w ——作用在直立迎水坝面水深h 处的地震动水压力代表值；)(h ϕ——水深h 处的地震动水压力分布系数； w ρ——水体质量密度标准值（kg/m3）； H ——水深（m ）。

（3）、地震动土压力：当重力坝坝体插入土体或坝体一侧有填土时，应计算地震动土压力作用。

地震主动土压力代表值FE ：ev E C g a H H q F )1(21)cos(cos 22110ζγψψψ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=211212)1)(cos(cos cos )(cos Z C e e e e ±++--=θψδψθψθϕ)cos()cos()sin()sin(1212ψψθψδψθϕϕδ-++--+=e e Zv he a g a tg ζζθ-=-1式中 E F ——地震主动动土压力代表值（kN/m ）；q——土表面单位长度的荷重（kN/m）；ψ——重力坝表面（挡土墙面）与垂直面夹角（°）；1ψ——土表面和水平面的夹角（°）；2H——土的高度（m）；γ——土的重度的标准值（kN/m3）；φ——土的内摩擦角（°）；θ——地震系数角（°）；eδ——坝面（挡土墙面）与土之间的摩擦角（°）；ζ——计算系数，动力法计算地震作用效应时应取1.0，拟静力法计算地震作用效应时一般取0.25，对钢筋混凝土结构取0.35。