Structural Design of Dam Sluice Gate Walkway Slabs:

Retrofit and Replacement Options

A local utility company issued a Request for Proposal to our universityrsquo;s capstone design class for structural improvements to their dam facility. The company identified reinforced concrete service walkways at each of the damrsquo;s seven sluice gates as damaged and in need of repair or replacement. The walkways are routinely used by staff for dam maintenance, posing a life-safety issue.

There are a total of seven service walkways, each with varying geometries. The walkways were constructed for maintenance of the sluice gates and most commonly support loads from foot traffic as well as equipment. Each of these walkways is a doubly reinforced concrete slab spanning approximately 20 feet and supported by abutments extending from the main structure between the sluice gates. Excessive slab deflections and cracking were observed during a team visit of the site.

The utility company requested that the student team prepare two design options: (1) steel retrofit and (2) reinforced concrete slab demolition and replacement plan. The structures were to meet the strength and serviceability requirements set forth by the sponsor. The final design was to consider the site-specific challenges of the project, including the remote site location, aggressive climate to which the slabs were exposed and the limited access to the walkways. Additionally, students were to account for worker safety in the proposed construction process and to prevent debris from falling into the river below.

The steel retrofit involves adding structural members to increase the capacity of the existing slabs. On the upstream side, each member is supported by a bracket bolted to the dam wall. Downstream, the members are supported by two back to back channels that rest on the existing slab. The channels transfer loads directly into the supporting abutments. This retrofit is relatively simple to install and costs approximately $56,000.

The full replacement plan requires the installation of a temporary steel bracing system to support demolition and construction. The replacement slabs have an increased depth of ten inches to meet the specified load requirements. This option provides the requested 50 year service life and costs approximately $213,000. Additionally, the design and construction solution are more complicated to execute, compared to the steel retrofit.

The proposed designs were completed by a five-member senior design team during an academic year. Students met weekly with their faculty advisor and two sponsor company liaisons, one of whom is a licensed civil engineer, the other is a project manager. The teamrsquo;s design calculations were reviewed by the faculty advisor, sponsor liaisons and two external licensed structural engineers (SEs). Project highlights included a site visit, professional presentations to their class, the project sponsor and outside professional chapters (Structural Engineers Association and ASCE) and a visit to the sponsor fabrication shop to discuss connection design. The two final design packages contained structural calculations, engineering drawings, construction specifications, construction sequences and cost estimates. Throughout the year, students developed important technical, communication and project management skills to help prepare them for their future careers as practicing engineers.

Structural Design of Dam Sluice Gate Walkway Slabs:

Retrofit and Replacement Options

1. Project Description Introduction

A local utility company issued a Request for Proposal to our universityrsquo;s capstone design class for structural improvements to their dam facility. The company identified reinforced concrete service walkways at each of the damrsquo;s seven sluice gates as damaged and in need of repair or replacement. Figure 1 shows the dam with the walkways and sluice gates identified. The walkways are routinely used by staff for dam maintenance, posing a life-safety issue.

Walkways span

each gate (7 total)

Sluice gates (7)

Figure 1. Dam with location of service walkways and sluice gates

The dam was completed in 1967. An extensive design and strong bedrock foundation permitted a slender cross-section with a structure functionally similar to an eggshell. The dam is 30 feet thick at the base and tapers to only eight feet at its top, holding back a reservoir depth of over 300 feet. The facility supplies 47% of their hydroelectric generation capacity.

Figure 2 presents a plan view of the dam, showing the seven service walkways and their unique geometries. The walkways were constructed for maintenance of the sluice gates and most commonly support loads from foot traffic as well as maintenance equipment. Each of these walkways is a doubly reinforced concrete slab spanning approximately 20 feet and supported by abutments extending from the main structure between the sluice gates.

Flow

#1		Dam Wall			#7
	#2				#6
		#3		#5
			#4

Figure 2. Plan view of seven maintenance walkways (shown in yellow) with varying geometries Background

Figure 3 presents a photograph of one of the existing walkway slabs. Deflections were measured to be as large as 2.5 inches. During previous maintenance activities, these slabs were overloaded and permanent

大坝闸门走廊板结构设计

改装和更换方案

一家当地的公用事业公司向我们大学的顶板设计班发出了一份建议书，要求对他们的水坝设施进行结构改进。该公司确定了钢筋混凝土服务 在大坝的七座水闸中，每一条都被损坏，需要修理或更换。工作人员经常使用这些人行道进行大坝维护，造成生命安全问题。

共有七条服务走道，每条都有不同的几何图形。行人通道是为水闸的维修而建造的，最常见的是来自步行交通的负载。 作为装备。每条人行道都是一个双钢筋混凝土板，跨度约20英尺，桥台从闸门之间的主要结构延伸而来。奥斯西夫 在视察现场期间，观察到了板的挠度和开裂情况。

公用事业公司要求学生小组准备两种设计方案：(1)钢改造和(2)钢筋混凝土板拆除和更换计划。这些建筑物将与圣彼得堡会合。 保荐人提出的经验值和适用性要求。最后的设计是考虑到项目的具体地点的挑战，包括偏远的场地位置，咄咄逼人的气候。 板子都暴露了，走道的通道也很有限。此外，学生应在拟议的施工过程中考虑工人的安全，并防止碎片坠落。 去下面的那条河。

钢结构改造包括增加结构构件以增加现有板的承载力。在上游侧，每个构件由一个固定在大坝墙上的支架支撑。下游，t 他的成员由两个背靠背的通道支持，这些通道位于现有的板子上。通道直接将荷载传递到支撑桥台。这种改造安装起来相对简单。 费用约为56，000美元。

全面更换计划要求安装临时钢支撑系统，以支持拆除和施工。替换板的深度增加了10英寸，以满足 指定的负载要求。这一选择规定了所要求的50年服务寿命，费用约为213 000美元。此外，设计和施工解决方案更加复杂。 与钢铁改造相比。

建议的设计是由一个五人的高级设计团队在一个学年内完成的.学生们每周都会见他们的教员顾问和两位赞助公司的联络人，其中一位是虱子。 一个是土木工程师，另一个是项目经理。该小组的设计计算已由教员顾问、赞助联络人及两名外部持牌结构工程师(SES)审核。工程项目 重点包括实地访问、对班上的专业介绍、项目发起人和外部专业分会(结构工程师协会和ASCE)，以及对spons的访问。 或制作车间讨论连接设计。这两个最终设计包括结构计算、工程图纸、施工规范、施工顺序和成本es。 时间。在这一年中，学生们发展了重要的技术、沟通和项目管理技能，以帮助他们为将来作为工程师的职业做好准备。

大坝闸门走廊板结构设计

改装和更换方案

项目简介

一家当地的公用事业公司向我们大学的顶板设计班发出了一份建议书，要求对他们的水坝设施进行结构改进。该公司确定了钢筋混凝土服务 在大坝的七座水闸中，每一条都被损坏，需要修理或更换。图1显示了大坝的走道和水闸的标识。走道经常使用b。 负责大坝维修的工作人员，提出了一个生命安全问题。

走道跨度

每个门（共七扇）

水闸门

图1.有设施通道和水闸位置的大坝

大坝于1967年建成。广泛的设计和坚固的基岩基础允许一个细长的横截面，其结构在功能上类似于蛋壳。这座大坝有30英尺厚。 它的底部和顶部只有8英尺，使水库的深度保持在300英尺以上。该设施提供了47%的水电发电能力。

图2显示了大坝的平面图视图，显示了七条服务人行道及其独特的几何图形。这些走道是为水闸的维修而建造的，最常见的支撑方式是l。 从步行交通和维修设备的OAD。每条人行道都是一个双钢筋混凝土板，跨度约20英尺，支座由主桥支撑。 水闸之间的结构。

图2.七条具有不同几何形状的维修人行道的平面图视图(以黄色显示)

背景

图3显示了一张现有人行道板的照片。测量的挠度高达2.5英寸。在以前的维护活动中，这些板都是超载的。 被服务人员破坏了。虽然工作人员现在对负荷能力更加认真，但过去的超载过度偏转了对公用工程造成生命安全威胁的楼板。 RS。因此，人行道需要加强或更换。

图3.现有板挠度(实地测量为2.5英寸)

Capstone设计团队在设计时必须考虑到一些特定地点的挑战：

偏远的大坝位置和细长上层建筑-大坝位于距离最近的城镇20英里，距离最近的主要城市超过100英里。因此，可以接触到钢铁制造商和现成的conc。 Rete供应商稀少，价格昂贵。此外，由于水库海拔的波动，上层建筑会发生明显的偏转，需要在更换楼板之间使用伸缩缝。 d现有结构。

维护随身听位置-结构板暴露在积极的湿气条件和广泛的温度变化。当楼板下面的水闸打开以调节水库时 红外深度下，一些不受控制的水流撞击楼板底部，使其处于负力矩状态。高级设计小组计算了由Disch引起的总水力。 大概是三个基普。

维护性人行道通道-在大坝的表面上有一条狭窄的道路，只能通过大坝西侧的一条隧道进入。狭窄的空隙和道路的 载重量限制重型建筑设备如混凝土的使用卡车，混凝土泵，和公用事业的起重机。图4显示了通过水闸的典型横截面。起重机的进出受到船尾建造的顶棚结构的进一步限制。 呃原来的走道的安装。拆除和建筑计划需要说明这些限制。

走道

通路巷道

闸门

流水

图4.典型水闸断面

设计概念

研究小组制定了两个独立的设计理念：(1)钢结构改造；(2)钢筋混凝土板拆除和更换计划。结构符合强度和适用性标准。 由项目发起人提出。

钢制改造

钢结构改造是一种经济的替代完全替代的方法，预计将提高现有楼板的承载能力，使其达到保荐人所指定的水平，而Limitin则是如此。 g进一步偏转。改造包括在楼板下安装梁，以减小跨度，从而减少挠度。

图5显示了钢改型选件。四个宽法兰梁支撑楼板，满足挠度要求。梁支架由在每个E处焊接到顶部法兰的管组成 带有螺纹入口的梁的ND。所述管道延伸到梁上方，穿过板坯的核心孔，螺纹杆将所述管道连接到所述梁的支撑元件上。光束的一端 s由一个固定在板上12英寸高的墙壁上的托架支撑。另一边没有支撑连接托架的墙，因此梁延伸到垂直于梁的板上。 寻求支持。梁的长度与板长，并将荷载通过板转移到现有的桥台。梁由背对背的通道组成，间隔三英寸。 他们之间现有的护栏。1/4英寸板焊接到通道底部，1英寸板焊接到通道顶部。这些成员共同支撑着渠道。顶板上有一个 1/16英寸的孔，以容纳螺纹杆和支撑管和梁。

现有板的钢筋锈蚀是一个值得关注的问题，改造设计假定了40 KSI钢筋的100%强度(非腐蚀)。因此，设计要求对现有钢筋进行检查。 g腐蚀分析仪器(议事录)。如果钢筋未被腐蚀，则可进行改造。如果发现有腐蚀，则应降低板的设计强度，或如果出现腐蚀，则应降低板的设计

强度。 离子是广泛的，它可能有必要采取全面的替代选择。这也是至关重要的密封裂缝在底部的楼板，以使水不会渗透到裂缝， 很明显，进入了钢筋。

栓在墙上的托架

栏杆

含螺纹杆的管道(固定)

背靠背槽梁

宽翼缘梁支承板

系板焊接

到通道

桥基

走道板

图5.全钢改造

钢筋混凝土楼板拆除与更换

虽然改造是更可持续和成本效益更高的选择，但项目发起人也要求为拆除和更换现有的保证50年DES的楼板进行设计。 生命。变质的板，或在改造过程中损坏的，可以用这种设计来更换。类似于改造的概念，拆除涉及安装宽翼缘梁 在板子下面。在这种情况下，梁可以支持拆除损坏的板的过程。图6显示了拆卸支撑系统。

为了使新的人行道有足够的容量，更换设计需要增加楼板深度和钢筋。梁间距的限制参数是指定的最大值s。 瓦楞纸屋面材料的平底长度(Vulcraft B16)。这种屋顶材料被放置在横梁上方，以防止在拆除过程中从现有板条上掉入河中的碎片。恩 环境法规要求严格控制任何污染河流的废物，因此，在设计过程中采取了非常谨慎的措施来禁止这种情况发生。屋顶伴侣 里尔作为模板的铸造-就地更换设计。

支撑梁与大坝墙的连接方式与改造选项中描述的方式相同。在下游端，宽翼缘梁位于桥台之间.梁连接到 梁与板在顶部和底部法兰方向45°，如图6所示，使用螺纹杆。

在现有的楼板得到适当的支撑后，拆除过程从提升波纹金属甲板支架开始，直到它与现有板的底部紧密相连。由于普拉塞姆 由于人行道和起重机容量有限，这些板子将被切成碎片。

重量约为200磅，要从建筑区域运出。这些切割将用一个金刚石锯片和泥浆将包含一个商店瓦茨在现场，以防止 这条河对环境的破坏。

一旦拆除现有板，工作人员就会铺设模板和钢筋。混凝土用卡车安装的直线泵通过公用设施的入口门浇筑.混凝土振动 在放置过程中，需要一个中等的扫帚完成垂直于脚部运动的方向。

支撑系统是为最大的板块设计的，其大小可以支持七条人行道中的每一条。为了保持大坝的这一部分运行并节省成本，Demol 点火和更换工艺设计为一次更换一个板坯。施工从最大的板坯(板7或1)开始，并随着面板的愈合和发展，在大坝周围继续施工。 足够的强度来支撑设计负荷。

项目交付物

项目交付成果包括：

提案-书面建议包括工作范围、30%、60%、90%和100%阶段的可交付成果清单，以及每次提交的拟议时间表。

设计方案-在30%的提交中提出了四种设计方案。项目发起人选择了钢结构改造和拆除更换计划。

结构计算和图纸-最后报告包括设计计算和AutoCAD绘图的钢改造和拆除和更换的概念。

施工规范-根据建筑规范协会的标准编制了钢和混凝土施工的综合规范文件。

提出了钢结构改造、拆除和更换设计的施工顺序。

详细的成本估算-该小组为钢铁翻新和拆除及更换设计准备了最终的成本估算。翻新和更换方案将耗资56，000美元和213，000美元。

二、学院、学生及持牌专业工程师的合作

在我们学院，土木工程和环境工程专业的高年级学生需要完成一个为期一年的、真实的、顶点式的设计项目。一个由五名学生组成的小组(两名女性，三名男性) 被指派到前面描述的项目，在一位教员顾问和两位公司赞助联络人的指导下工作，其中一位是有执照的土木工程师，另一位是项目管理人员。 repeat 重复

作为课程的一部分，学生们完成了：(1)秋季季度的项目提案，

冬季的主要分析和设计工作，以及(3)春季季度的最后报告和介绍。为了完成这些任务，学生小组每周与他们的教员举行会议。 顾问和公司联络。他们还为赞助商做了两次演讲-一次在秋季详细介绍了提案，另一次在春季解释了最终设计。这些介绍是ATT的 由其他持有执照的土木工程师、项目经理和公司的一名持有执照的结构工程师(SE)终止。

三.对公共卫生、安全和福利的惠益

该项目涉及两个工人安全问题和一个公共卫生和福利问题：

对现有楼板的维护工作-现有损坏的人行道板对大坝工作人员构成生命安全威胁。水闸通常需要维修。所涉及的大部分设备是 非常重，在清洗和修理时必须放在板子上。例如，一个车轮从水闸门重量超过一个基普。楼板的现有能力(假定没有钢筋Corro) 据估计不超过十基普斯。考虑到在人行道上观察到的过度偏转和开裂，其能力可能要小得多。

施工改造或更换选项-建造改造或更换选项是具有挑战性的，因为没有使用复杂脚手架板以下的通道。 在设计中考虑到建筑工人的安全，不要求任何人走到楼板下面。这种设计防止工人被坠落的碎片撞击。

河流保护-建设工作直接发生在河上。所有设计都包括防止任何碎片落入水中并造成污染的方法。

四.多学科与同业公会职业参与

该项目包括学生与其他学科和专业工程师互动的一些机会。具体而言，学生：

进行了一次实地考察-这次访问包括参观大坝设施，学生们在那里与公用事业经营者和工人互动，了解有缺陷的人行道的功能。螺柱 在参观期间，Ents对现有的板坯尺寸和挠度进行了现场测量。

与实践工程师互动-团队向结构工程师协会的当地分会和美国土木工程师协会(ASCE)的当地分会作了介绍。 。向结构工程师协会的介绍是在项目开始时的秋季进行的，并征求了感兴趣的注册工程师协会的反馈意见。全年，学生们 广告后续会议与许多这些SE，以讨论他们的设计概念。此外，小组的最后项目报告由两名外部专家进行了审查。

了解连接设计-学生们参观了赞助商的制造车间，讨论连接细节，并观察他们的最终连接设计之一的制作。他们收到了 向制作者介绍如何改进设计和图纸。

五.获得的知识和技能

高级设计经验是独特的，因为它帮助学生发展各种重要的技能，以实践工程师。

技术-学生学习如何评估和分析一个现有的结构，然后准备设计建议，以弥补结构缺陷。这一过程包括：

建筑规范-2009年国际建筑规范，ASCE 7-05结构和其他建筑物的最低设计荷载

设计规范.鞍钢建筑手册第13版，ACI：318-08结构混凝土和注释建筑规范要求

设计辅助工具-Hilti北美技术产品指南4.2.4，Vulcraft产品指南

计算机辅助绘图-AutoCAD 2007

此外，学生还学习了可构造性和详细的连接设计，这些都是传统课程中没有涉及的主题。他们的最终设计解决了特定地点的问题，并包括了dee。 尾式施工规范(建筑规范研究所)和排序。

沟通学生们提交了一份书面建议和一份最后报告。学生提供详细e 对全年的联络进行了大量的计算，并收到了反馈意见。学生还负责向项目联络部门发送专业电子邮件。小组准备口述前 他们的高级设计课程

资料编号：[3674]