悅來泵站沉箱進(jìn)水口封堵鋼板設(shè)計(jì)

郝春付，耿賀松

(1.樺川縣水務(wù)局，黑龍江樺川154300;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080)

樺川縣悅來新建泵站工程位于松花江下游右岸凹岸處，主廠房基礎(chǔ)采用沉井結(jié)構(gòu)，前池由U字型廠房沉井三面圍成，共9臺機(jī)組，9個(gè)進(jìn)水口。由于在廠房內(nèi)部施工過程中，沉箱內(nèi)必需常期處于干燥狀態(tài)，因此在地面沉箱制作時(shí)要用鋼板對進(jìn)水口進(jìn)行嚴(yán)密封堵，并確保安全可靠。

1 進(jìn)水口土壓力計(jì)算

前池地表以下均為砂土，干密度γ=1.74 t/m3，飽和密度γm=2.09 t/m3，水密度取γω=1 t/m3，砂土浮密度γ'= γm－γω=1.09 t/m3。地表面高程75.10 m，常年地下水位高程72.00 m，進(jìn)水口頂高程67.42 m，底高程65.42 m，進(jìn)水口尺寸為3m×2m。

由于沉箱下沉到位后，四周均受土壓力且處于平衡狀態(tài)，因此進(jìn)水口封堵鋼板可按靜止土壓力，并取這一最大受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，靜止土壓力系數(shù)k0取0.7。各點(diǎn)及總土壓力計(jì)算如下:

圖1 進(jìn)水口土壓力示意圖

式中:Pω為圖1中D點(diǎn)水壓力;PB、PC、PD為圖1中相應(yīng)各點(diǎn)土壓力;P0為面板下部區(qū)格中心點(diǎn)的飽和土壓強(qiáng)度;P為封堵鋼板單位寬度總土壓力，因?yàn)榭卓谳^深，門頂與門底的水壓強(qiáng)度差值相對較小，可近似認(rèn)為P作用在進(jìn)水口的中心位置;H1、H2、H3、H4均為圖示各土層厚度。

圖2 進(jìn)水口封堵塞示意圖

2 封堵鋼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)資料

孔口凈寬:3.00 m;孔口凈高:2.00 m;結(jié)構(gòu)材料:Q235;焊條:E43;止水橡皮:孔口四周止水用條形橡皮;混凝土強(qiáng)度等級:C25。

2.2 梁格的布置形式

梁格用來支承面板，以減少面板跨度而達(dá)到減少面板厚度的目的。為了充分發(fā)揮材料的作用來抵抗彎距和撓度，采取增大主梁的高度比增加主梁數(shù)目的效果要好。當(dāng)孔口跨度較大，而高度較小時(shí)(L≥1.5 H)，主梁的數(shù)目一般應(yīng)減小到兩根，因此按本例孔口尺寸，可采用雙主梁雙次梁等間距布置，即兩根水平向的主梁和兩根豎直向的次梁均對稱的分布于荷載P作用點(diǎn)(孔口中心點(diǎn))的兩側(cè)，呈井字梁形式，如圖所示，其中豎直次梁可采用橫隔板來代替。

2.3 估算面板厚度

按圖示的梁格布置，共分9個(gè)區(qū)格，各區(qū)格都是四端固定，尺寸相同，只是受力狀況不同，顯然最下面的3個(gè)區(qū)格所受壓力最大，所需面板較厚，應(yīng)作為面板厚度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

式中:t為面板厚度;k為四邊固定矩形彈性薄板在支承長邊中點(diǎn)的彎應(yīng)力系數(shù)，可按《水工鋼結(jié)構(gòu)》附錄九表2查得k= 0.454;P0為面板計(jì)算區(qū)格中心的飽和土壓強(qiáng)度;a、b為面板區(qū)格的短邊和長邊的長度;α為彈塑性調(diào)整系數(shù)，當(dāng)b/a≤3時(shí)，α=1.5;［σ］為鋼材的抗彎容許應(yīng)力，Q235鋼材［σ］=160 N/mm2;

2.4 主梁設(shè)計(jì)

主梁跨度:L=3m，主梁間距2/3 m，每根主梁荷載:q= P/2=27.23/2=13.62 t/m，橫向隔板間距:1.0 m，主梁容許撓度［ω］=L/750

2.4.1 截面選擇

1)彎矩與剪力。為偏于安全，可按簡支梁計(jì)算，

2)需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應(yīng)力［σ］= 160 N/mm2，考慮鋼板自重引起的附加應(yīng)力作用，取容許應(yīng)力為［σ］=0.9×160=144 N/mm2，則需要的截面模量為

3)腹板高度的選擇。按剛度要求的最小梁高為

式中:E為鋼材的彈性模量E=206×103N/mm2=2.06×107N/cm2;經(jīng)濟(jì)梁高h(yuǎn)ec=3.1W2/5=3.1×1063.892/5=50.36cm

由于橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比hec小，但≥hmin。

現(xiàn)選用腹板高度h0=40cm。

4)腹板厚度的選擇。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

選用

5)翼緣截面選擇。每個(gè)翼緣需要截面為

翼緣厚度選用t1=1.5cm(符合鋼板規(guī)格)，需要15 cm(在

對于封堵鋼板，主梁一般選用成品型鋼，然后進(jìn)行強(qiáng)度等校核。根據(jù)以上數(shù)據(jù)選用熱扎普通工字鋼，型號為40a，相應(yīng)截面特性參數(shù)可由表中查得。

6)彎應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。最大應(yīng)力發(fā)生在主梁跨中截面，只需對該截面進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。查表可知40a型工字鋼截面模量為Wx=1085.7cm3，彎應(yīng)力為14.11KN/cm2＜0.9×16=14.4KN/cm2(安全)

7)整體穩(wěn)定性與撓度驗(yàn)算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按規(guī)范規(guī)定可不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗(yàn)算。

2.4.2 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力的驗(yàn)算。

估算出面板厚度并選定主梁截面后，考慮到面板本身在局部彎曲的同時(shí)，還隨著主梁受整體彎曲的作用，則面板為雙向受力狀態(tài)，故應(yīng)按強(qiáng)度理論對折算應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

對于四邊固定的面板，根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可知，在均布荷載作用下最大彎矩發(fā)生在面板支承邊的長邊中點(diǎn)處。通過上述梁格布置，各區(qū)格都是四端固定，尺寸相同，只是受力狀況不同，顯然最下面的三個(gè)區(qū)格所受壓力最大，所需面板較厚，這意味著該區(qū)格的長邊中點(diǎn)應(yīng)力也較大，所以選取下部3個(gè)區(qū)格之一驗(yàn)算其長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力。

區(qū)格在長邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力:

對應(yīng)于面板區(qū)格在長邊中點(diǎn)的主梁彎距和彎應(yīng)力

折算應(yīng)力

故面板厚度選用12 mm，滿足強(qiáng)度要求。式中σmy為垂直于主梁軸線方向、面板區(qū)格的支承長邊中點(diǎn)的局部彎曲應(yīng)力;σmx為面板區(qū)格沿主梁軸線方向的局部彎應(yīng)力，其中μ為泊松比，取μ=0.3;σ0x為對應(yīng)于面板驗(yàn)算點(diǎn)的主梁上翼緣的整體彎曲應(yīng)力;其他符號同前;σmy、σmx、和σ0x的取值均以拉應(yīng)力為正號，壓應(yīng)力為負(fù)號。

2.5 橫隔板設(shè)計(jì)

橫隔板同時(shí)兼作豎直次梁和橫向加勁肋，以保證主梁腹板局部穩(wěn)定，它同樣承受面板傳來的分布荷載，可按構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的截面高度與主梁截面高度相同。隔板厚度通常不大于8～10 cm。因?yàn)橛忻姘宓拇嬖?，橫隔板可不另設(shè)上翼緣，其下翼緣一般用寬度為100～200 mm、厚度為10～12mm的扁鋼做成。這種由構(gòu)造要求確定的尺寸，使橫隔板的應(yīng)力很小，可不進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

3 封堵結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土連接

3.1 埋件預(yù)留

在進(jìn)水口混凝土澆注時(shí)要按圖示位置預(yù)留相應(yīng)型號(M30YG型)脹錨螺栓，螺栓間距為20 cm。還要按圖示位置在每個(gè)進(jìn)水口預(yù)埋8塊400mm×400mm×2mm規(guī)格的鋼板，每塊鋼板上采用雙側(cè)連續(xù)焊縫的方法固定兩根￠25 U型錨筋，錨筋錨入混凝土長度≥40 cm，同時(shí)還要將鋼板與墻外側(cè)筋進(jìn)行焊接。

3.2 鋼板與混凝土的連接

鋼板與混凝土搭接部分為20 cm寬，因此鋼板的實(shí)際尺寸為3.4m×2.4m。鋼板與混凝土之間要嵌入一圈20cm寬相應(yīng)規(guī)格的橡膠止水帶，然后將鋼板及止水帶相應(yīng)位置打孔后用預(yù)埋螺栓與混凝土擰緊壓牢，可保密封效果。

3.3 梁格與混凝土的連接

按上述選定的主梁型號及橫隔板截面尺寸，將主梁與橫隔板及整個(gè)井字梁與封堵鋼板之間采用連續(xù)焊縫的方法焊牢，這樣梁的整體穩(wěn)定性可得到保證。主梁及橫隔板的端部與上述8塊預(yù)埋鋼板也要采用連續(xù)焊縫的方法焊牢，則井字梁可與進(jìn)水口四周鋼筋混凝土構(gòu)成一體，共同抵抗由面板傳來的荷載。

［1］錢家歡.土力學(xué)［M］.江蘇:河海大學(xué)出版社，1988.

［2］范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.