分析水電站溢流壩啟閉排架計算方法

趙 振，盧常亮

遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽 110000

1 工程情況概述

水電站位于江的上游支流河上，大壩的地址位于原來電站舊壩下游1 540m的位置，壩址控制集雨面積為185km2，攔河壩采用漿砌石重力壩，因為左右兩岸非溢流壩段和河床中間溢流壩段組成，其中溢流壩段長39m、非溢流壩段長82.25m。

溢流壩段要布置共3個孔為溢流閘孔，閘孔凈寬10m，采用平面鋼閘門擋水。每扇門各設(shè)立一臺QPQ2×250kN固定式啟閉機進(jìn)行啟閉控制，啟閉平臺分成3跨，每跨兩端以簡支形式擱在啟閉排架上。啟閉排架采用雙層鋼筋的鋼架結(jié)構(gòu)，凈高8m，跨長3.2m，基礎(chǔ)固結(jié)在閘墩上。排架柱尺長×寬=600mm×600mm，橫梁尺寸高×寬=600mm×500mm。

2 假設(shè)計算的條件

啟閉排架梁、柱長細(xì)比均1/h大于5，在計算簡圖中采用梁、柱軸線代替梁柱桿件。橫梁支座截面和跨中截面的高度比hc/h小于1.6，不考慮橫梁支托的影響，衡量按等截面鋼架簡化計算。

啟閉排架同時受到橫縱兩個方向的荷載作用，實際上構(gòu)成空間受力，結(jié)構(gòu)的剛度在兩個方向上不同，同時考慮到結(jié)構(gòu)的空間作用計算比較復(fù)雜，所以將橫縱兩個方向的受力分開簡化計算。橫相按照平面框架計算，縱向按照一般偏心受壓柱計算，這里不作為詳細(xì)的講解和介紹。

3 計算工程情況的組合

3.1 橫向荷載組合

在橫向荷載計算的時候，風(fēng)壓力分為兩種情況考慮，一種是閘門全部開啟，工作橋上無人群荷載，除排架和工作橋受到風(fēng)壓力以外，高懸的閘門上所受到的風(fēng)壓力通過門槽或活動門擋傳給排架；另一種是閘門剛開啟的時候，僅排架和工作橋承受風(fēng)荷載，前者屬于對排架受力最不利的情況。

3.2 縱向荷載組合

按照以下兩種情況考慮：第一，由于相鄰兩孔閘門同時啟閉，左右兩跨工作橋傳來的支座壓力相等，此時排架的柱軸方向受力最大；第二，左右兩跨傳來的壓力不相等，最不利荷載組合，一個孔剛剛開啟的時候該跨的工作橋傳來的荷載最大，另一個孔閘門關(guān)閉，啟門力是零，工作橋荷載最小這樣的情況下偏心荷載最大。在施工過程中排架兩側(cè)荷載不對稱，也會有偏心荷載產(chǎn)生，計算時候要進(jìn)行對應(yīng)的驗算。

4 橫向排架的計算

由于水利水電工程相對比較復(fù)雜和特殊，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計手段相對落后，嚴(yán)重制約了設(shè)計的精確性和效率性，這樣很難適應(yīng)現(xiàn)在高速、高效的工程要求。啟閉排架計算的工況組合多種多樣，計算的部位繁多、計算過程很復(fù)雜，非常不利于修改，設(shè)計技術(shù)人員工作非常繁重。

PKPM軟件是中國科學(xué)院結(jié)構(gòu)研究所專門為建筑設(shè)計，結(jié)構(gòu)計算等研制開發(fā)的專業(yè)性軟件。在混凝土結(jié)構(gòu)的配筋上有很多獨特的優(yōu)越性和方便性，雖然它采用的規(guī)范本身與《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》存在一定的差異，雙方行業(yè)所采用的計算方式中取的系數(shù)類別或系數(shù)值不同，但其計算理論的核心一致，可以通過設(shè)計人員在計算操作過程中修正和加以利用。

PKPM混凝土結(jié)構(gòu)配筋計算的依據(jù)是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ10-89），而水工混凝土結(jié)構(gòu)配筋計算的依據(jù)是《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL1997-58），兩種規(guī)范都是采用以概率論的理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，以可靠的指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用以分項系數(shù)的設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計。

PKPM計算過程：建模-結(jié)構(gòu)計算-結(jié)構(gòu)圖繪制-編輯成圖。啟閉排架計算可由PKPM中的PK平面框架模塊完成繪圖。本次選擇中間排架作為計算對象，選取閘門全開受風(fēng)壓力，工作橋上無人群荷載作為計算工況，以驗證PKPM的計算設(shè)計效果。

建模的工作主要內(nèi)容包括：軸線輸入、構(gòu)件定義、荷載定義。1）規(guī)則框架建?？梢灾苯油ㄟ^“快速建?！惫ぞ邨l輸入跨度和層高，多層多跨的時候可以重復(fù)累計輸入。軸線輸入的時候注意最小間距的要求大于150mm，否則可能會引起后面復(fù)雜計算出錯，導(dǎo)致不能計算，因此中心距小于150mm的構(gòu)件不能同時都輸入軸線，只能輸入其中一個構(gòu)件，另一個通過偏心輸入或者都通過偏心輸入；2）構(gòu)件定義包括截面定義和布置，注意排架柱布置時默認(rèn)中心線重合軸線，梁布置的時候則會以頂部邊線重合軸線；3）荷載定義建議采用手工輸入，這樣不容易出現(xiàn)錯誤。將上部啟閉平臺傳下來的荷載按活荷載及恒荷載分開輸入，風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載進(jìn)行輸入。

5 計算結(jié)果核對與校對

軟件出錯的概率比較高，算出的結(jié)果不能直接采用，要經(jīng)過設(shè)計人員的定性與定量的核準(zhǔn)，及時發(fā)現(xiàn)錯誤進(jìn)行糾正。首先對計算的簡圖和幾何尺寸、荷載位置等計算條件進(jìn)行核對，其次對內(nèi)力圖進(jìn)行核對，內(nèi)力圖是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，也是后面進(jìn)行配筋的主要依據(jù)，更是判斷結(jié)構(gòu)布置是否合理，截面尺寸擬定是否滿足要求的最直觀的方法。我們采用結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡條件進(jìn)行核準(zhǔn)，用最基礎(chǔ)的節(jié)點平衡法、截面法，校準(zhǔn)時應(yīng)該忽略次要的受力荷載。從內(nèi)力計算結(jié)果上看，內(nèi)力圖形要符合力學(xué)規(guī)律、數(shù)值要滿足平衡條件。

6 配筋結(jié)果的修正

PKPM軟件計算出的內(nèi)力比較準(zhǔn)確不用調(diào)整，但是算出的配筋量往往達(dá)不到實際配筋的需求量，必須乘以一個放大系數(shù)β進(jìn)行修正，取值一般按照經(jīng)驗為1.01～1.10。因為混凝土設(shè)計強度fcm和截面計算有效高度在軟件中與水工規(guī)范有出入，而且是固定值無法調(diào)整。另外邊柱及角柱受偏心及作用較大而且是空間受力，采用平面假定將橫縱方向分開計算偏于危險應(yīng)該按照經(jīng)驗對配筋進(jìn)行放大，邊柱乘以放大系數(shù)1.1，角柱乘以放大系數(shù)1.2。

綜上所述，啟閉排水架是水工鋼筋砼結(jié)構(gòu)，工況組合及計算過程比較復(fù)雜。怎么樣對計算模型進(jìn)行合理的簡化，選用高效軟件成為行業(yè)共識。PKPM軟件給計算排架內(nèi)力和配筋方面帶來高效性，同時我們要注意差異點，PKPM軟件不是根據(jù)水工規(guī)范而是根據(jù)工民建規(guī)范編制的，設(shè)計人員必須在設(shè)計中注意一些軟件操作上和輸入?yún)?shù)處理技巧，一定要對計算結(jié)果進(jìn)行合理修正。

[1]中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.PKPM用戶手冊，2001.

[2]張世儒，夏維城.水閘[S].北京：水利電力出版社，1987.