新疆某水利樞紐工程壩內(nèi)廊道配筋的計(jì)算方法

周旭銳

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某水利樞紐工程位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津河流域，工程主要建筑物包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房、過魚設(shè)施，臨時(shí)建筑物包括施工圍堰和導(dǎo)流洞。工程等別為Ⅱ等大(Ⅱ)型，擋水建筑物為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，最大壩高94.0 m。壩內(nèi)布設(shè)基礎(chǔ)灌漿廊道、排水監(jiān)測(cè)廊道，并與兩岸灌漿平洞相接，組成一個(gè)完整的壩內(nèi)外交通網(wǎng)絡(luò)。

2 壩內(nèi)廊道布置

為滿足檢修、觀測(cè)、灌漿、排水和壩內(nèi)交通等要求，需要在壩體內(nèi)設(shè)置廊道。本工程壩體共設(shè)置3層水平縱向廊道，縱向廊道上游壁離上游壩面的距離，宜為0.05～0.1倍的壩面作用水頭，且不小于3 m。分別在560.0，595.0和620.0 m高程布設(shè)廊道，廊道斷面型式均為城門洞型，基礎(chǔ)灌漿廊道斷面尺寸均為3.0 m×4.0 m，中部和頂部廊道斷面尺寸為2.5 m×3.0 m，其中底部為基礎(chǔ)灌漿排水及監(jiān)測(cè)廊道，距上游壩面距離為8 m，中部和上部為排水、監(jiān)測(cè)廊道，兼顧交通，距上游面為6和4 m。壩體廊道在平面上沿拱圈呈折線布置，兩岸灌漿平洞的斷面型式與基礎(chǔ)灌漿廊道斷面型式相同，并通過電梯井、壩后橋、岸坡道路，解決壩體廊道及灌漿平洞間的相互交通。

基礎(chǔ)灌漿廊道全長(zhǎng)256 m，595 m監(jiān)測(cè)廊道全長(zhǎng)128 m，620 m監(jiān)測(cè)廊道全長(zhǎng)243 m。見圖1。

圖1 某工程拱壩壩體廊道布置縱向剖視圖

3 廊道配筋常用計(jì)算方法

3.1 方法一：按彈性應(yīng)力圖形配筋

3.1.1 計(jì)算方法

該方法為工程中常用的計(jì)算方法，首先由彈性理論計(jì)算得出結(jié)構(gòu)在荷載作用下的拉應(yīng)力圖形，再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積計(jì)算配筋用量。計(jì)算方法如下：

1) 當(dāng)截面的彈性應(yīng)力圖形接近線性分布時(shí)，應(yīng)換算為截面內(nèi)力，可按桿件體系結(jié)構(gòu)的配筋公式進(jìn)行配筋及裂縫控制等的驗(yàn)算。

2) 當(dāng)截面的彈性應(yīng)力圖形偏離線性分布較大時(shí)，可按拉應(yīng)力圖形面積計(jì)算鋼筋用量，其計(jì)算公式如下：

T=Ab

Tc=Actb

式中：T為由荷載設(shè)計(jì)值(包含結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0及設(shè)計(jì)狀況系數(shù)ψ在內(nèi))確定的彈性總拉力；A為按荷載設(shè)計(jì)值得出的彈性主拉應(yīng)力圖形總面積；Tc為混凝土承擔(dān)的主拉力；Act為彈性應(yīng)力圖形中主拉應(yīng)力小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft的圖形面積。

3.1.2 存在的問題及優(yōu)勢(shì)

1) 存在的問題。彈性拉應(yīng)力圖形依據(jù)混凝土的允許應(yīng)力人為地分割成混凝土承擔(dān)的部分、鋼筋承擔(dān)的部分。事實(shí)上，混凝土開裂、受拉鋼筋應(yīng)力較大時(shí)，彈性應(yīng)力圖形已不復(fù)存在，截面上將產(chǎn)生應(yīng)力重分布，此時(shí)計(jì)算截面上總的拉應(yīng)力為多少，混凝土和鋼筋各承擔(dān)多少，是很難確定的。

2) 優(yōu)勢(shì)。作為工程設(shè)計(jì)中常用的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，按彈性應(yīng)力圖形配筋比較方便易行，可適用于各種形體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)很多工程按照該方法對(duì)廊道進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，實(shí)際的觀測(cè)值證明按此方法配筋是安全可靠的。

3.2 方法二：按有限單元法配筋

3.2.1 計(jì)算方法

1) 將結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，各單元僅在其節(jié)點(diǎn)處相互聯(lián)接。

2) 在單元中建立單元內(nèi)部的位移模式，所選擇的位移形函數(shù)應(yīng)能保證兩鄰接單元共同邊界位移的協(xié)調(diào)連續(xù)性，即要求能使這兩個(gè)單元既不重疊，又不出現(xiàn)空隙。

3) 將單元內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變用結(jié)點(diǎn)位移表示。

4) 選擇合適的材料應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)構(gòu)關(guān)系，將單元內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力用應(yīng)變表示。

5) 對(duì)單元加一虛位移。

6) 將結(jié)構(gòu)的全部結(jié)點(diǎn)進(jìn)行整體編號(hào)，集合所有單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣和結(jié)點(diǎn)荷載列陣，分別形成整體位移列陣和整體荷載列陣，再將所有單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行集合，形成整體剛度矩陣，得出整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程組。

7) 求解方程組，得出結(jié)點(diǎn)整體位移、單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣、單元各點(diǎn)應(yīng)變，最后求出各點(diǎn)應(yīng)力。

3.2.2 存在的問題及優(yōu)勢(shì)

1) 存在的問題。采用該方法計(jì)算時(shí)，由于所取各種參數(shù)取值的不同，非線性程序處理手段的不同以及裂縫模擬模型的不同等等，往往會(huì)得出差異較大的計(jì)算結(jié)果。因此，所采用的鋼筋混凝土非線性有限元分析程序，必須經(jīng)過試驗(yàn)的考證?？甲C時(shí)，材料及荷載的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)取實(shí)測(cè)值

2) 優(yōu)勢(shì)。該方法綜合考慮了混凝土的開裂以及非線性材性、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)、混凝土徐變等因素，對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度配筋設(shè)計(jì)時(shí)需考慮混凝土裂縫開展寬度對(duì)溫度應(yīng)力的影響時(shí)，有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

3.3 方法三：按斷裂力學(xué)原理配筋

3.3.1 計(jì)算方法

當(dāng)混凝土承受拉應(yīng)力時(shí)，將產(chǎn)生開裂阻抗，應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫將擴(kuò)展和延深。斷裂力學(xué)在計(jì)算廊道頂拱和底板的開裂深度后，通過計(jì)算裂縫尖端劈縫力所產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子，與混凝土的斷裂韌度相比較，判斷裂縫是否終止，綜合考慮該裂縫對(duì)主體工程的危害程度后，決定是否配筋。

3.3.2 存在的問題及現(xiàn)狀

1) 存在的問題。在斷裂力學(xué)計(jì)算的過程中，有很多未考慮的因素：混凝土的塑性影響；大壩施工期長(zhǎng)，廊道所承受的荷載是緩慢施加的，使混凝土的應(yīng)變能力遠(yuǎn)大于快速拉伸值；廊道周圍混凝土施工先澆兩側(cè)并在拱頂處分層，底板留排水溝，這些對(duì)應(yīng)力都有影響。

2) 現(xiàn)狀。 應(yīng)用斷裂力學(xué)原理求解廊道的開裂與穩(wěn)定，并計(jì)算配筋，目前國內(nèi)按照此原理計(jì)算廊道配筋的工程非常稀少，有些問題還處于摸索階段，可為廊道配筋提供一種思路。

4 本工程廊道配筋的計(jì)算方法

本工程位于高寒地區(qū)，筑壩條件十分惡劣，故壩體廊道配筋計(jì)算采用傳統(tǒng)算法，即按拉應(yīng)力圖形面積的大小確定配筋量。由于壩內(nèi)設(shè)置廊道將會(huì)引起壩內(nèi)應(yīng)力重新分配，進(jìn)行廊道配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用最不利工況控制確定。下面以基礎(chǔ)灌漿廊道為例，進(jìn)行配筋計(jì)算。

4.1 最不利工況下壩體應(yīng)力

壩體應(yīng)力采用三維有限元方法分析計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算不同受力工況下壩體應(yīng)力的大小。計(jì)算中總共考慮了21種計(jì)算工況，具體不贅述。經(jīng)過計(jì)算結(jié)果分析，考慮保溫、溢流表孔和泄洪深孔時(shí)，正常蓄水位+自重+泥沙+溫降+橫河向地震荷載+順河向地震荷載為最不利工況，即工況20。見表1。

表1 拱壩應(yīng)力極值表

由三維有限元方法得出最不利工況下應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2-圖5。

圖2 最不利工況下壩體上游面主拉應(yīng)力S1等值線圖(MPa)

圖3 最不利工況下壩體上游面主壓應(yīng)力S3等值線圖(MPa)

圖4 最不利工況下壩體下游面主拉應(yīng)力S1等值線圖(MPa)

圖5 最不利工況下壩體下游面主壓應(yīng)力S3等值線圖(MPa)

通過圖2、圖4可以看出，壩體右側(cè)562高程的拉應(yīng)力集中區(qū)為基礎(chǔ)灌漿廊道的控制應(yīng)力，該處廊道距離上游面為6～7 m，距離建基面最小距離為5 m，結(jié)合下游面拉應(yīng)力綜合考慮，可知基礎(chǔ)灌漿廊道處最大拉應(yīng)力為1.2 MPa。

4.2 拱壩廊道配筋計(jì)算結(jié)果

按彈性應(yīng)力圖形配筋的計(jì)算方法，廊道配筋選擇每米5根直徑25螺紋鋼即可滿足要求。見圖6。

圖6 基礎(chǔ)灌漿廊道典型配筋圖

5 結(jié) 語

對(duì)于廊道配筋計(jì)算的研究，國內(nèi)工程大多采用按彈性應(yīng)力圖形配筋的方法，該方法是傳統(tǒng)的計(jì)算方法，可適用于各種形體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。本工程廊道的配筋以壩體應(yīng)力三維有限元計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行配筋計(jì)算。工程運(yùn)行多年后，廊道運(yùn)行情況良好。