單孔水閘計(jì)算程序編制

摘要：開敞式U型單孔水閘和中小型船閘工程結(jié)構(gòu)計(jì)算主要涉及結(jié)構(gòu)自重、人字門側(cè)向推力、揚(yáng)壓力、水壓力和土壓力等要素，結(jié)合各剖面的位置，計(jì)入不平衡剪力、墻后水壓力的作用。筆者參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求編制整體U型船閘結(jié)構(gòu)計(jì)算流程，經(jīng)已建工程驗(yàn)算，本程序的電算成果與手算基本無異。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)慰姿l 計(jì)算程序 計(jì)算原理

1 概述

珠江三角洲地區(qū)的中型工程大部分是開敞式U型單孔水閘和中小型船閘工程。按常規(guī)，結(jié)構(gòu)計(jì)算主要涉及結(jié)構(gòu)自重、人字門側(cè)向推力、揚(yáng)壓力、水壓力和土壓力等要素，結(jié)合各剖面的位置，計(jì)入不平衡剪力、墻后水壓力的作用。計(jì)算過程包含多道流程，每一道流程的計(jì)算與整體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，錯(cuò)誤率也比較高。鑒于此，筆者參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求編制整體U型船閘結(jié)構(gòu)計(jì)算流程，經(jīng)已建工程驗(yàn)算，本程序的電算成果與手算基本無異。

2 計(jì)算原理

2.1 開敞式單孔水閘、船閘的型式基本可以簡(jiǎn)化成圖1所示的對(duì)稱U型結(jié)構(gòu)。在圖2所示的水位作用下呈現(xiàn)圖3所示的荷載型式。閘內(nèi)水壓力為C1，閘內(nèi)人字門對(duì)閘墻的等代壓力是C2，閘墻后土壓力用C3、C4表示，閘墻后水壓力用C5表示。圖4為C1、C2、C3、C4、C5疊加簡(jiǎn)化后的荷載圖。NN表示閘墻上部結(jié)構(gòu)傳來荷載。墻后土壓力相當(dāng)于距地面h處的土側(cè)壓力，可運(yùn)用朗金公式進(jìn)行計(jì)算：q=hrtg2（45°-φ/2）

式中：r——回填容重（水下取浮容重）；

φ——回填土內(nèi)摩擦角。

2.2 運(yùn)算過程應(yīng)兼顧不平衡剪力的作用，宜采用積分法計(jì)算不平衡剪力系數(shù)[2]。

2.3 通過截面法展開運(yùn)算時(shí)，底板均布荷載Q是自重、水重、不平衡剪力、地基反力、浮托力與滲透壓力之和。上述荷載逐項(xiàng)對(duì)斷面A～E取矩計(jì)算。

2.4 彈性地基梁底板的荷載可簡(jiǎn)化如圖4所示。MC、NC取截面法計(jì)算結(jié)果，底板均布荷載Q值同上。計(jì)算結(jié)果輸出半截梁L的內(nèi)力，可將L等分成6份，等分6為A截面，通過鏈桿法計(jì)算彈性地基梁，把地基梁等分為十二份，代以鏈桿和地基聯(lián)系，基于梁體平衡及地基變形協(xié)調(diào)條件構(gòu)建方程式對(duì)地基反力、梁體內(nèi)力進(jìn)行運(yùn)算。

2.5 邊荷載主要涉及均勻分布與三角形分布，須查表計(jì)算[3]，程序數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可在運(yùn)算過程中自動(dòng)查取。

2.6 在上下游取不同位置的剖面進(jìn)行驗(yàn)算，最終確定最不利內(nèi)力組合。

3 程序功能

基于穩(wěn)定計(jì)算所獲取的地基反力數(shù)據(jù)及滲透壓力數(shù)據(jù)，分別在建成未填土、建成填土無水、有水情況1及有水情況2 四種條件下，運(yùn)用截面法、彈性地基梁法（不考慮邊荷載）和計(jì)算內(nèi)力。其中，運(yùn)用彈性地基梁法計(jì)算內(nèi)力時(shí)必須考慮邊荷載，而運(yùn)用彈性地基梁法計(jì)算內(nèi)力時(shí)無需考慮邊荷載。

除上述情況以外的水位條件可分次輸入計(jì)算。通過截面法對(duì)上述四種條件下A、B、C、D、E 截面（詳見圖3）的內(nèi)力及配筋進(jìn)行運(yùn)算，以確定各截面最大最小內(nèi)力值和相應(yīng)的配筋。

本程序針對(duì)地基相對(duì)密實(shí)度在0.5以上的粘性土地基和沙土地基， 本程序分別在考慮與不考慮邊荷載的條件下，根據(jù)上述四種情形，運(yùn)用彈性地基梁法（鏈桿法）對(duì)底板內(nèi)力進(jìn)行運(yùn)算。

整個(gè)程序包括三個(gè)主要模塊，即荷載計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算。

4 程序框圖（圖5）

5 輸入變量（表1，2）

6 計(jì)算例題

人字水船閘前首閘，根據(jù)原計(jì)算書中所示的剖面Ⅱ-Ⅱ，輸入數(shù)據(jù)參考輸入變量表順序建立數(shù)據(jù)文件，繼而制作人字水船閘手算電算結(jié)果比較表，將計(jì)算結(jié)果與原計(jì)算結(jié)果作比對(duì)。（表3）

7 結(jié)語

一個(gè)船閘閘首手算過程7～15天完成，運(yùn)算時(shí)每一道流程與其他流程緊密聯(lián)系，即使一個(gè)小流程出錯(cuò)都有可能影響整個(gè)運(yùn)算過程。若運(yùn)算條件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，還須重新計(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸。而本程序只需兩天就能完成穩(wěn)定計(jì)算的內(nèi)容，并且還可以進(jìn)行其他的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，能夠?yàn)榉桨竷?yōu)化提供客觀真實(shí)的參考數(shù)據(jù)。本程序除了適用于船閘結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，在整體式單孔水閘與一般U形結(jié)構(gòu)的運(yùn)算中得到充分運(yùn)用。而在計(jì)算雙孔一聯(lián)和三孔一聯(lián)水閘結(jié)構(gòu)時(shí)，只須對(duì)程序作簡(jiǎn)單調(diào)整即可應(yīng)用。

本程序包含多種計(jì)算模式，無需輸入大量數(shù)據(jù)，自動(dòng)程度高，對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算有很強(qiáng)的適用性。經(jīng)人字水船閘、河清船閘等已建工程驗(yàn)證，電算成果與手算基本一致。目前，該程序已被廣泛應(yīng)用在東海船閘、南洲水閘、鶴峰水閘、官山導(dǎo)流閘、太平船閘及一拱船閘等省基建中型工程中，設(shè)計(jì)效率大幅提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]張敬樓.水閘設(shè)計(jì)（第1版）[M].河海大學(xué)，1992.

[3]沈英武.彈性地基梁上的框架計(jì)算[M].水利出版社，1980.

作者簡(jiǎn)介：許志發(fā)，男，本科，工程師，從事水工設(shè)計(jì)施工。