溪洛渡水電站泄洪洞工作閘門室中室樓板承重桁架受力分析

韓金濤，鄭 祥

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司溪洛渡施工局，四川雷波 616550)

1 概述

溪洛渡水電站泄洪洞工作閘門室單個(gè)閘室長(zhǎng)36m、寬18m、高61m，下室底板高程為540m、中室底板高程為578m、頂部高程為601m，1#、2#泄洪洞工作閘門室總長(zhǎng)79m，下部底板為左岸泄洪洞有壓段、無(wú)壓段混凝土施工通道，自身混凝土施工與金屬結(jié)構(gòu)安裝穿插進(jìn)行，單個(gè)工作閘門室中室承重排架搭設(shè)鋼管重量在200t以上，同時(shí)受下部施工通道和空間制約，無(wú)法一次性搭設(shè)，材料倒運(yùn)困難，安全風(fēng)險(xiǎn)突出，加之與金屬結(jié)構(gòu)安裝干擾及業(yè)主交面進(jìn)度要求，必須采取既能滿足中室樓板承重要求，又不影響下部施工場(chǎng)地空間的方案予以解決。

結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)綜合因素，我們擬定了采用承重桁架做支撐澆筑中閘室樓板方案，以解決上述施工難題。承重桁架支座埋設(shè)于中室樓板下部的邊墻混凝土中，桁架事先加工完成，現(xiàn)場(chǎng)采用吊裝方案，本工程承重桁架間距采取1.5m。

2 承重桁架的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架結(jié)構(gòu)的選型:應(yīng)考慮建筑的用途、建筑造型、屋面防水構(gòu)造、屋架的跨度、結(jié)構(gòu)材料的供應(yīng)、施工技術(shù)等因素以及各種桁架的特點(diǎn)與適用范圍，并做到受力合理、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用。結(jié)合溪洛渡水電站泄洪洞中閘室樓板的跨度及周邊建筑物空間位置限制，選定承重桁架為矩形桁架，并根據(jù)施工布置方案，將其尺寸(高×長(zhǎng))選定 為1.2m ×13.8m(兩側(cè)各縮進(jìn)0.1m)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)稱桁架，1m一個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖1、2)。

圖1 桁架樣式(一)側(cè)視圖

圖2 桁架樣式(二)側(cè)視圖

3 桁架結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算

在承重桁架中，上下弦桿及腹桿是整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)中最重要的部件，對(duì)其的受力分析正確與否直接關(guān)系到承重桁架運(yùn)行的成敗。為盡可能使受力情況反映實(shí)際，確保運(yùn)行安全，結(jié)合混凝土澆筑的具體情況，對(duì)上下弦桿及腹桿的受力情況進(jìn)行了分析計(jì)算。

3.1 荷載分析

根據(jù)承重桁架在本工程的施工布置得知，單個(gè)承重桁架的受力面寬度為1.5m，再根據(jù)施工工況可知其上方恒荷載 P混凝土=25kN/m2，P模板=0.3kN/m2，P縱梁=0.2kN/m2，即 P恒=25.5 kN/m2，澆筑時(shí)動(dòng)荷載取P動(dòng)=2kN/m2。

綜上得單個(gè)鋼桁架上的線荷載為q設(shè)=(1.2×25.5+1.4 ×2)× 1.5=50.1(kN/m)。q標(biāo)=(25.5+2)×1.5=41.25(kN/m)。

根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其受力情況見(jiàn)圖3。

圖3 桁架受力圖

此桁架上弦受壓、下弦受拉，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知桁架中點(diǎn)C＇受壓最大，受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 桁架受力簡(jiǎn)圖

此桁架作用跨度為14m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸為1 m一節(jié)點(diǎn)，高1.2m，長(zhǎng)13.8m(兩端各縮進(jìn)10 cm)。在此，我們用荷載的設(shè)計(jì)值設(shè)計(jì)桁架材料，用標(biāo)準(zhǔn)值校核桁架的撓度。

3.2 上下弦選材

此桁架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)上述可得出支座反力 FA=FB=350.7(kN)，F(xiàn)=50.1N。

對(duì)C點(diǎn)取矩，有Mc=0，可推得:

［(1+6)×6/2］× F+F/2 ×6.9+N＇C×1.2=FA×6.9，推得 NC＇=995.74(kN)。

由［σ］=215N/mm2，推得桁架上弦材料的截面面積 A=NC＇/［σ］=46.31(cm2)。

查表可知，可采用兩塊18a槽鋼(單塊18a槽鋼截面面積為25.7cm2)可靠焊接并在中間加焊18cm×12mm鋼板以增加其截面抵抗矩。

3.3 豎腹桿選材

桁架結(jié)構(gòu)桿件均為二力桿，易知桁架垂直連接桿的內(nèi)力N直=50.1kN。

擬采用10#槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即 λmax=1.2 ×100/1.41=85，查表得 ψ =0.655，又查表得其 A=12.7cm2;由 σ =Nmax/ψ ×A=50.1 ×1000/(0.655 ×12.7 ×100)=60.23 ＜215(N/mm2)，即10#槽鋼滿足豎腹桿的受力要求。為加強(qiáng)桁架受力，本次在每一處節(jié)點(diǎn)都增設(shè)了豎腹桿。

3.4 斜腹桿選材

(1)兩側(cè)①、②斜腹桿。

桁架斜桿選材，易知桁架兩端斜腹桿內(nèi)力最大，?、?、②桿分析，其受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 斜腹桿受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)受力圖5(a)，對(duì)H點(diǎn)取矩，由Mh=0，可推得:

Nf＇×1.2+F ×1+1.9 × F/2=FA×1.9

推得 Nf=473.86N。

根據(jù)受力圖5(b)，對(duì)E點(diǎn)取矩，取 Nf=Nd，由Me=0，可推得:

Nd＇×1 .2+N斜×1.2 ×1/+0.9 ×F/2=FA×0.9。

推得N斜=－358.68kN，即其方向與圖示相反。

對(duì)于AD斜桿，其受力情況如圖6所示。

本工程腹桿按最大內(nèi)力取Nmax=423.90kN，本桁架斜桿長(zhǎng)度為1.56m，本次擬取200mm×125mm×14mm的不等邊角鋼，取角鋼最不利受力軸，即 λmax=1.56 ×100/2.73=57，查表得 ψ =0.823;查表得 A=43.9cm2。

圖6 斜桿受力簡(jiǎn)圖

根據(jù)單面連接單角鋼強(qiáng)度折減，本工程取【σ】＇=0.7 ×215(N/mm2)。

由σ =Nmax/ψ ×A=423.9 ×1000/0.823 ×43.9 × 100=117.33 ＜ 0.7 × 215=150.5(N/mm2)，得知200mm×125mm×14mm的不等邊角鋼滿足本桁架兩側(cè)①、②號(hào)斜腹桿的最大受力。

(2)③、④號(hào)斜腹桿受力情況見(jiàn)圖7。

圖7 斜腹桿受力示意圖

根據(jù)受力圖(a)，對(duì)G點(diǎn)取矩，有Mg=0，可推得:

推得 N=807.86kN。

根據(jù)受力圖(b)，對(duì)J點(diǎn)取矩，取N=N’，有Mj=0，可推得:

推得N④=－228.25kN，即其方向與圖示相反。

對(duì)于K點(diǎn)，其受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8。

圖8 K點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖

對(duì)于斜腹桿④，擬采用16a槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即 λmax=1.56×100/1.8=87，查表得 ψ =0.641，又查表得其 A=21.9cm2，由 σ =Nmax/ψ ×A=293.47 ×1000/(0.641 ×21.9×100)=209.06 ＜215N/mm2。

即16a槽鋼滿足斜腹桿④的受力要求。但根據(jù)桁架受力特點(diǎn)及安全考慮，本次斜腹桿③、④采用與斜腹桿①、②一樣的200mm×125mm×14 mm的不等邊角鋼。

(3)⑤、⑥、⑦號(hào)斜腹桿。

綜上同理，可得⑤、⑥、⑦號(hào)斜腹桿的內(nèi)力為N⑤=163.77kN，N⑥=98.26kN，N⑦=32.63kN。

對(duì)于斜腹桿⑤，擬采用14a槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即:

λmax=1.56 ×100/1.71=91，查表得 ψ =0.614，又查表得其 A=18.5cm2。

σ =Nmax/ψ × A=163.77 × 1000/(0.614 ×18.5 ×100)=144.18 ＜215N/mm2。

即14a槽鋼滿足斜腹桿⑤的受力要求，斜腹桿⑥與斜腹桿⑤采用同樣的14a槽鋼。

對(duì)于斜腹桿⑦，擬采用10#槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即:

λmax=1.56 ×100/1.41=111，查表得 ψ =0.487，又查表得其 A=12.7cm2。

由 σ =Nmax/ψ ×A=32.63 ×1000/(0.426 ×12.7 ×100)=52.76 ＜215N/mm2。

即10#槽鋼滿足斜腹桿⑦的受力要求。

3.5 剛度校核

將鋼桁架作為整體，其節(jié)點(diǎn)處集中力指向相同(圖9)，即知桁架跨中處撓度最大。又鋼桁架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，受力也為對(duì)稱作用力，由疊加原理可得:

圖9 鋼桁架整體受力圖

式中 I為鋼桁架截面對(duì)主軸X軸的慣性矩，即I=2(2I18a+(h/2)2 ×2A)=4I18a+Ah2，本慣性矩算法忽略了腹桿的變形影響，由18a槽鋼的截面特性可知 I18a=1273cm4，A=25.7cm2，且桁架高h(yuǎn)=1.2m，即推得 I=375172cm4。

又 F=41.25kN，E=2.1 ×105N/mm2。

綜上可推得 Wmax=0.0226+0.003=0.0256m=25.6mm ＜ l/500=28mm，即滿足安全運(yùn)行要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程承重桁架材料均采取設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算選出，在剛度校核中忽略了腹桿的變形影響且以桁架作用跨度作為計(jì)算跨度，從而增加了承重桁架整體安全裕度。承重桁架自加工完成后成功運(yùn)用于本工程中閘室兩個(gè)樓板的澆筑施工，加快了中閘室整體施工進(jìn)度，取得了良好的效果。