磨河水庫泄洪沖砂底孔進水塔結(jié)構(gòu)計算

樊亞婷

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西　太原　030024)

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磨河水庫泄洪沖砂底孔進水塔結(jié)構(gòu)計算

樊亞婷

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原030024)

通過對磨河水庫泄洪沖砂底孔進水塔進行的結(jié)構(gòu)計算，并結(jié)合水庫的運行調(diào)度管理，對底孔的運行工況進行分析，選取最不利工況下進水塔結(jié)構(gòu)計算，確定進水塔設(shè)計滿足工程設(shè)計要求。

磨河水庫；進水塔；結(jié)構(gòu)計算

1　工程概況

磨河水庫大壩樞紐位于陵川縣東南磨河之上，陵川縣位于山西省的東南部，東鄰河南輝縣、南接河南修武、西依晉城市澤州縣、西北與高平、長治、壺關(guān)三市(縣)毗連。壩址以上主河道長33.60 km，控制流域面積161.90 km2。陵川縣磨河水庫是陵川縣磨河供水工程的補充水源工程，是在原磨河供水工程的基礎(chǔ)上進行樞紐大壩及其配套設(shè)施的擴建改造。擬建磨河水庫大壩壩型為堆石混凝土重力壩，設(shè)計最大壩高54.90 m，壩頂高程937.90 m，總庫容241.00萬m3。

2　基本資料

3　結(jié)構(gòu)計算

3.1計算簡圖

將塔身簡化為單位高度范圍內(nèi)平面剛桁架建模進行計算，塔身剖面見圖1，計算簡圖見圖2，斷面尺寸及計算長度見表1。

圖1　進水塔剖面圖

圖2　計算簡圖　　單位：mm

mm

續(xù)表1

3.2計算工況分析

結(jié)合水庫的運行調(diào)度管理，對底孔的運行工況進行分析，根據(jù)最不利原則，主要選取以下幾種工況進行分析計算：

工況1：在校核洪水位937.13 m(P=0.50%)情況下，檢修閘門和工作閘門均開啟，閘門槽內(nèi)均有水。

工況2：在校核洪水位937.13 m(P=0.50%)情況下，檢修閘門和工作閘門均關(guān)閉，由于閘門止水均為后止水，此時檢修閘門門槽內(nèi)有水，工作閘門門槽內(nèi)無水。

工況3：在正常蓄水位+地震情況下，檢修門關(guān)閉，此時檢修閘門門槽內(nèi)水位與庫水位相同，工作閘門門槽內(nèi)無水。

3.3荷載計算

3.3.1工況1分析計算

3.3.2工況2分析計算

高程為911.70 m時，水壓力q設(shè)=261.94 kN/m；高程921.00 m時，水壓力q設(shè)=166.15 kN/m。

3.3.3工況3分析計算

在正常蓄水位931.50 m時，工作門檢修，事故檢修門擋水時，檢修門槽內(nèi)的水位與庫水位齊平，其主要受水壓力作用、地震慣性力和地震動水壓力，以911.70 m高程斷面為例進行各項荷載的計算。

(1)水壓力計算：水壓力計算：q=γh=9.81×(931.50-911.70)=194.24 kPa

(2)地震慣性力計算：采用擬靜力法計算地震慣性力：Fi=ahξGEiai/g

式中：Fi為作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值(kN)；ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；GEi為集中在質(zhì)點i的重力作用標準值(kN)；αh為水平向設(shè)計地震加速度代表值，取0.10 g，(m2/s)；αi為質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)，取1.50；g為重力加速度，取9.81 m2/s。

則有Fi=0.10×9.81×0.25×55 450.70×1.50/9.81=2 079.40 kN

在911.70 m高程斷面上，進水塔高度為H=26.20 m，則有：

pE=2 079.40÷26.20÷15.00=5.29 kPa

(3)地震動水壓力計算

采用擬靜力法計算水深h處的地震動水壓力：

式中：FT(h)為水深h處單位高度塔面震動水壓力合力的代表值(kN)；ψ(h)為水深h處的地震動水壓力分布系數(shù)，取0.72；ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；ρw為水體質(zhì)量密度標準值(g/cm2)；ηw為形狀系數(shù)，取1.00；H0為水深(m)；A為塔體沿高程平均截面與水體交線包絡(luò)面積(m2)；a為塔體垂直地震作用方向的迎水面最大寬度沿高度均值(m)。

因其寬度b=15.00 m，則在911.70 m斷面上，PW=63.68/15.00=4.25 kPa。

則在911.70 m高程計算值為：q=q水+q地慣+q動水=194.24+5.29+4.25=203.78 kPa，則有q設(shè)=1.05×203.78×1.00=214.00 kN/m。

同理，在921.00 m高程斷面，正常蓄水位情況下，水深為H0=10.50 m，水壓力q=103.01 kPa，地震慣性力Fi=1 314.08 kN，PE=5.18 kPa，地震動水壓力FT(h)=29.75 kN,PW=1.98 kPa。則在921.00 m高程計算值為：q=q水+q地慣+q動水=103.01+5.18+1.98=110.17 kPa，q設(shè)=1.05×110.17×1.00=115.68 kN/m。

3.4結(jié)構(gòu)計算

選用理正工具箱6.5網(wǎng)絡(luò)版中的平面剛桁架程序，對各受力斷面的內(nèi)力情況進行計算。根據(jù)程序計算結(jié)果，按各桿件在各種工況的最不利情況進行選筋，并根據(jù)實際情況，考慮施工要求，結(jié)合施工便利原則，初配鋼筋型式見表2。

表2　各高程截面配筋結(jié)果表

3.5抗裂及裂縫驗算

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，考慮抗裂及裂縫驗算要求，對初配鋼筋型式，分2類進行抗裂及裂縫驗算計算。以911.70 m斷面為例進行計算，具體如下。

3.5.1第一類驗算

第一類為桿AC、DF。以AC桿為例，根據(jù)彎矩圖，選取最大負彎矩M=811.80 kN.m，N=569.60 kN，計算配筋2 128 mm2,實配Φ28@150(4 310 mm2)?？沽鸭傲芽p驗算如下：

(1)計算依據(jù):SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，以下簡稱《規(guī)范》。 (2) 計算資料:①受力類型:偏心受壓構(gòu)件；②環(huán)境條件:露天環(huán)境，長期處于地下或水下的環(huán)境；③截面型式：矩形；④截面尺寸:b×h=1 000 mm×1 000 mm；⑤計算長度：13 500 mm；⑥混凝土：C25(ftk=1.78 N/mm2；Ec=28 000 N/mm2)；⑦ 實際配筋：受拉側(cè)7Φ28(As=4 310 mm2；Es=200 000 N/mm2)，受壓側(cè) 7Φ28(As′=4 310 mm2；Es′=200 000 N/mm2)；⑧)保護層厚度：hc=50 mm；⑨荷載組合：Ns=569.60 kN (軸向力設(shè)計值)，Ms=811.80 kN.m(彎距設(shè)計值)；

(2)截面幾何特性：①截面有效計算高度：ho=h-hc-d/2 =1 000-50-28/2=936 mm；②混凝土截面面積Ac：Ac=bh=1 000×1 000=1.00×106mm2；③受拉鋼筋合力點至近邊距離as：as=hc+d/2=50+28/2=64 mm；④受壓鋼筋合力點至近邊距離as′:as′=hc+d/2=50+28/2=64 mm；⑤混凝土截面重心至受壓邊緣的距離yc′:yc′=h/2=1 000/2=500 mm；⑥混凝土截面對于其本身重心軸的慣性距Ic:Ic=(bh3)/12 =(1 000×1 0003)/12=8.33×1010mm4；⑦軸向力對截面重心的偏心距eo:eo=Ms/Ns=811.80/569.60=1 425.21 mm。

4　抗裂驗算

4.1抗裂參數(shù)

按《規(guī)范》7.1.1條及相關(guān)公式：①混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù):αct=0.85；②鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比:受拉側(cè)αE=Es/Ec=200 000/28 000=7.14，受壓側(cè)αE′=Es′/Ec=200 000/28 000=7.14；③換算截面面積Ao:Ao=Ac+αEAs+αE′As′=1.06×106mm2；④截面抵抗矩塑性系數(shù):按《規(guī)范》附錄C，矩形截面，查表得γm=1.55，對其修正，h=1 000<3 000 mm，0.7+300/h=0.7+300/1 000=1.0<1.1，γm=1×1.55=1.55；⑤換算截面重心至受壓邊緣的距離yo：yo=(Acyc′+αEAsho+αEAs′as′)/Ao=500 mm；⑥換算截面對其重心軸的慣性距Io：Io=Ic+Ac(yo-yc′)2+αEAs(ho-yo)2+αE′As′(yo-as′)2=9.50×1010mm4；⑦換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩Wo：Wo=Io/(h-yo)=1.90×108mm3。

4.2荷載效應(yīng)組合抗裂驗算

按《規(guī)范》7.1.1-3式，NK=(γmαctftkAoWo)/(eoAo-Wo)=357.70 kN

5　裂縫寬度驗算

5.1最大裂縫寬度允許值

按《規(guī)范》表3.2.7，ωlim=0.30 mm

5.2裂縫寬度計算參數(shù)

按《規(guī)范》表7.2.2條及相關(guān)公式：①考慮構(gòu)件受力特征和荷載長期作用的綜合影響系數(shù)：α=2.10(偏心受壓構(gòu)件)；②最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離c=hc=50 mm；③鋼筋直徑：d=28 mm(受拉側(cè))；④有效受拉混凝土截面面積：Ate=2asb=1.28×105mm2；⑤縱向受拉鋼筋的有效配筋率：ρte=As/Ate=0.03。

5.3最大裂縫計算

5.3.1縱向受拉鋼筋應(yīng)力σsk

(1)判別偏心情況：偏心距eo>h/2-as，構(gòu)件屬于大偏心受壓。

(2)使用階段的偏心距增大系數(shù)：按《規(guī)范》7.2.3-6式，Lo/h=13 500/1 000=13.5<14，取ηs=1.00。

(3)截面重心至縱向受拉鋼筋合力點的距離：ys=h-yc′-as=436 mm。

(4)軸向壓力作用點至縱向受拉鋼筋合力點的距離：按《規(guī)范》7.2.3-5式，e=ηseo+ys=1 861.21 mm。

(5)受壓翼緣面積與腹板有效面積的比值：

hf′=0<0.2ho，γf′=[(bf′-b)hf′]/(bho)=0

(6)縱向受拉鋼筋合力點至受壓區(qū)合力點的距離：按《規(guī)范》7.2.3-4式，z=[0.87-0.12(1-γf′)(ho/e)2]×ho=785.91 mm。

(7)縱向受拉鋼筋應(yīng)力：按《規(guī)范》7.2.3-3式，σsk=[Ns(e/z-1)]/As=180.82 N/mm2。

5.3.2最大裂縫寬度

按《規(guī)范》7.2.2式，ωmax=ασsk(30+c+0.07d/ρte)/Es=0.26 mm<ωlim，滿足要求。

5.3.3第二類驗算

第二類為桿AG、GI、CI。桿AG、GI、CI截面高度均為h=1 500 mm。以GI桿為例，選取最大負彎矩M=957.90 kN.m，N=421.30 kN，計算配筋3 000 mm2,實配Φ25@150(3 436 mm2)?？沽鸭傲芽p驗算公式同前。經(jīng)計算，滿足抗裂要求。

根據(jù)以上計算過程，各斷面抗裂及裂縫寬度驗算計算結(jié)果見表3。前述各高程截面初配鋼筋型式滿足抗裂及裂縫驗算，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

表3　抗裂及裂縫寬度驗算結(jié)果表

6　結(jié)　語

本文通過對山西省陵川縣磨河水庫泄洪沖砂底孔進水塔的結(jié)構(gòu)計算，針對工程實際情況，分析了在各不利工況下進水塔的結(jié)構(gòu)情況，計算得出進水塔的設(shè)計尺寸及配筋型式均滿足設(shè)計要求，保證了工程的安全、經(jīng)濟、合理。

(責(zé)任編輯姚小槐)

2016-02-11

樊亞婷(1989-)，女，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。E-mail：034061225@163.com

TV31

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1008-701X(2016)03-0040-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.011