小型渠道结构计算方法探讨.docx

通过渠道的水力计算，我们可以得到渠道的过水流量，从而确定渠道的净宽和净高（水力计算以后另文介绍）。有了渠道的净宽和净高，还要确定采用何种衬砌结构来实现它，定出各部位的结构尺寸，这样才能把完整的渠道横断面图画出来。 由于工程较小，目前省内的小型渠道结构设计多采用定型图集和经验设计，一般也无大问题。但能否对这类小型渠道的结构计算作定量计算和分析，使设计更加科学合理呢？本文试图对此作一探讨。 对于灌排渠道的衬砌，广东省目前一般的做法主要有三种，即：砖渠（两边侧墙用浆砌混凝土普通砖，表面用水泥砂浆批荡，底板采用现浇混凝土浇筑），砼渠（两边侧墙和底板都用现浇混凝土浇筑），石渠（侧墙和底板采用浆砌石或干砌石，表面用水泥砂浆勾缝或批荡）。 我们知道，作为工程结构，须满足强度、刚度和稳定性的要求（见本人拙作《水工建筑物的稳定计算浅淡》）。渠道结构主要问题在于强度和稳定。本文将分渠道侧墙厚度的确定、渠道底板厚度的确定、渠道的稳定计算三个小节展开。主要以砖渠为例，砼渠和石渠类似。 一、渠道侧墙厚度的确定 渠道侧墙的厚度，要求在各种力（主要是土压力和水压力）作用下，能不被破坏，并保持稳定状态（稳定计算在第三节再讨论）。 对于砖渠和石渠，我们水利行业没有专门的砌体结构设计规范，所以我们采用了工民建行业的《砌体结构设计规范》，这也是一本国家标准。PS. 标准规范按级别分有国家标准、行业标准（比如建筑工程行业、水利行业、土地管理行业等）、地方标准等，国家标准级别是最高的，在各行业都是通用的。 根据《砌体结构设计规范》的规定：对于无筋砌体构件，受弯构件的承载力，应满足这个式的要求：M≤ftmW。 在这里：M是渠道侧墙所受到的荷载的弯矩设计值。如果我们把渠墙看做是一端固定在土里一端自由的悬臂梁，而土压力和水压力都是沿深度方向三角形分布荷载，则根据材料力学我们知道，它的内力图是这样的（M是弯矩，Fs是剪力）： 至于土压力和水压力的计算公式（即线性分布荷载q）请参考相关教材，在 《水工建筑物的稳定计算浅淡》一文中，我也提过土压力的计算，这里我们一般按库伦主动土压力公式计算。 ? ? ? ?ftm是砌体弯曲抗拉强度设计值，在《砌体结构设计规范》中可以查到，比如砂浆强度等级M7.5的普通砖的弯曲抗拉强度设计值是140kPa。 ? ? ???W是截面抵抗矩，对于矩形截面来说，W=（bh^2）/6，b是截面宽度（我们一般取1m单宽来研究），h是截面高（这里相当于渠墙厚度）。 ? ? ? ?通过比较公式左右两端的值，看看结构抵抗弯矩的能力是否大于所受到的荷载的弯矩设计值。如果不足，则要加大渠墙厚度，即提高截面抵抗矩。 ? ? ? ?这个公式是怎么来的呢？其实是源自《材料力学》的结论，只不过《材料力学》是用“容许应力”来表示的（见《材料力学》“梁的正应力强度条件”）：σmax≤[σ]，即梁横截面上的最大工作应力不得超过材料的许用弯曲应力。而σmax=Mmax/Wz，则上式变为Mmax/Wz≤[σ]。Wz是截面的几何性质之一，称为弯曲截面系数，其值与横截面的形状和尺寸有关。矩形截面Wz=bh^2/6。圆形截面Wz=πd^3/32。 ? ? ? ?这两种表示方法是等价的，只不过设计规范采用了我们工程人喜欢的表达方式，用我们工程人熟悉的参数来进行比较分析。而搞科学的则喜欢穷根究底，弄清事物的本质，最终落脚点在应力。把移到不等式右边，就相当于规范的表达公式了。 ? ? ? ?在《砌体结构设计规范》中，除了验算抗弯，还要验算抗剪。受弯构件的受剪承载力，应按下列公式计算：V≤fvbz。 ? ? ? ?在公式中，V是剪力设计值，在上面我们意见提过了，即上面内力图中的Fs。 ? ? ? ?fv是砌体的抗剪强度设计值，在《砌体结构设计规范》中可以查到，砂浆强度等级M7.5的普通砖的抗剪强度设计值是140kPa。 ? ? ? ?b是截面宽度，我们一般取1m单宽来研究。 ? ? ? ?z是内力臂，它的计算公式是z=I/S，I是截面惯性矩，S是截面面积矩。当截面为矩形时，z?等于2h/3（h为截面高度，这里即渠墙厚度）。 ? ? ? ? 通过比较公式左右两端的值，看看结构抵抗剪力的能力是否大于所受到的剪力设计值。如果不足，则要加大渠墙厚度，即增大内力臂。 ? ? ? ? 这个公式同样是源自《材料力学》的结论，《材料力学》用“容许应力”来表示（见《材料力学》“梁的切应力强度条件”）：τmax≤[τ]，即梁各横截面中最大切应力不得超过材料在横力弯曲时的许用切应力。τmax=(Fs，maxSz，max*)/(Izb)。则上式变为(Fs，maxSz，max*)/(Izb)≤[τ]。Fs，m