型鋼布設(shè)方式對型鋼混凝土閘墩工作性能的影響研究

皇甫秉輝，司 政，楊 丹，黃靈芝

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司水利與環(huán)境設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710016)

1 研究背景

閘墩對閘門的安全工作起著舉足輕重的作用[1]。隨著水工建筑物規(guī)模的逐漸增大，巨大的水荷載作用在閘門支座處會導(dǎo)致支座和墩體相交處附近過早地產(chǎn)生裂縫，使一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)的要求[2-3]。而型鋼混凝土穩(wěn)定性強(qiáng)、抗震性好，承載能力高[4]，可較好地滿足高壩大庫設(shè)計(jì)上的要求。近些年學(xué)者對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究頗多。馬馬[5]以廣西獵德大橋?qū)嶋H工程為背景，運(yùn)用有限元軟件構(gòu)建模型，討論了橋體在靜力和動力響應(yīng)兩種情況下的受力情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果為橋體搭配合適的型鋼，從而提高了其抗震性能。李曉彤[6]采用動力時程分析法對某進(jìn)水塔上部型鋼混凝土排架進(jìn)行計(jì)算分析，得出增加配鋼量可提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，并能較好地保證排架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。陳小強(qiáng)等[7]選取某實(shí)際工程淺埋斜井作為分析對象，利用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)對破碎圍巖洞室進(jìn)行支護(hù)，從而大大縮減了拱圈的壁厚并擴(kuò)大了地下洞室的有效空間。

閘墩結(jié)構(gòu)內(nèi)型鋼的使用，有關(guān)學(xué)者也做了一系列的研究。袁春[8]、張小飛等[9]通過不同方案進(jìn)行對比，最終得出在設(shè)計(jì)中使用H型鋼較優(yōu)，且保護(hù)層取400 mm時，閘墩結(jié)構(gòu)承載能力最強(qiáng)。曾德軍[10]利用數(shù)值計(jì)算分析法，計(jì)算分析得到了在縱向受力型鋼之間布設(shè)橫向工字形連接鋼的重要性。吳金駿[11]研究表示，型鋼混凝土的粘結(jié)滑移是指在兩者接觸部位處發(fā)生的局部細(xì)微變化，在型鋼布設(shè)形式的影響研究過程中可不考慮它們之間的粘結(jié)滑移。韋凱曼[12]利用ABAQUS軟件并采用Python語言對閘墩建模的全過程進(jìn)行編碼，采用遺傳優(yōu)化準(zhǔn)則，得到型鋼混凝土閘墩厚度計(jì)算方法。張小飛等[13]基于待定系數(shù)法，并通過有限元計(jì)算分析確定了型鋼混凝土閘墩結(jié)構(gòu)截面含鋼量的最佳取值范圍。

然而型鋼混凝土閘墩墩體一般較大且其受到的外荷載也較為復(fù)雜，所以不能完全參考一般工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[14-15]。目前學(xué)者對閘墩結(jié)構(gòu)的有關(guān)研究都是在單側(cè)布設(shè)一根型鋼的基礎(chǔ)上展開的，而對墩體支座處局部受拉范圍內(nèi)的型鋼布設(shè)根數(shù)、布置角度和布設(shè)尺寸的研究相對較少。故本文選取某水工建筑物泄水孔口的中墩作為分析對象，利用數(shù)值仿真研究方法，對閘墩結(jié)構(gòu)內(nèi)型鋼的布設(shè)根數(shù)以及它們之間的夾角等進(jìn)行了綜合研究，最終研究結(jié)果為型鋼在閘墩結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)用提供了理論支撐。

2 閘墩及型鋼有限元模型

2.1 閘墩有限元模型

某溢洪道閘室段長度為42.0 m，設(shè)定順?biāo)鞑⒅赶蛳掠螢閄軸正向，鉛直向上為Y軸正向，左右岸指向右岸方向?yàn)閆軸正向。根據(jù)吳金駿[11]、董駿龍[16]的研究可知，模型應(yīng)采用分離式建模，型鋼和鋼筋單元與混凝土單元之間均采用共節(jié)點(diǎn)剛性連接，不考慮它們之間的黏性滑移。閘墩墩體混凝土強(qiáng)度等級為C30，墩體與支座相交處附近主受力區(qū)混凝土強(qiáng)度等級為C40，混凝土采用SOLID65實(shí)體單元進(jìn)行模擬，具體各強(qiáng)度標(biāo)號混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線如圖1所示?；鶐r本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮，使用SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼筋和型鋼分別使用LINK8桿單元和BEAM188梁單元進(jìn)行模擬，型鋼采用Q345鋼，由于計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)未達(dá)到二者的屈服強(qiáng)度，故鋼筋和型鋼的本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮。根據(jù)規(guī)范[17]確定的上述材料主要物理參數(shù)見表1。以單根型鋼布設(shè)為例，其有限元結(jié)構(gòu)模型見圖2，模型計(jì)算工況及荷載組合如表2所示。

表1 閘墩材料主要物理參數(shù)

表2 模型計(jì)算工況及荷載組合

圖1 閘墩各強(qiáng)度標(biāo)號混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線 圖2 型鋼混凝土閘墩有限元結(jié)構(gòu)模型

2.2 型鋼布設(shè)及有限元模型

型鋼混凝土的配鋼量既不能過多也不能偏少，若配鋼量過少則結(jié)構(gòu)一但開裂就會喪失承載能力，若配鋼量過多則在型鋼強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮、結(jié)構(gòu)的變形和裂縫寬度都不大時可能會發(fā)生突然破壞，喪失承載能力。根據(jù)規(guī)范[17]中的閘墩局部受拉區(qū)域的扇形鋼筋截面面積和支座處縱向受力鋼筋截面面積的計(jì)算公式，對型鋼混凝土配鋼量進(jìn)行計(jì)算，用A表示閘墩頸部配鋼量，AS表示閘門支座處配鋼量，計(jì)算得到A=650 cm2，AS=104 cm2。

當(dāng)閘墩內(nèi)布設(shè)H型鋼時，其綜合性能較為理想[8]，故本文在墩體內(nèi)布設(shè)H型鋼，并根據(jù)規(guī)范[18]確定H型鋼的尺寸大小。參考陳松[19]對H型鋼參數(shù)的表達(dá)方式：腹板高度×翼緣寬度×腹板厚度×翼緣厚度，不同型鋼布設(shè)方式的型鋼規(guī)格及截面尺寸見表3。

表3 不同型鋼布設(shè)方式的型鋼規(guī)格及截面尺寸

閘墩與支座相交部位的鋼筋超出支座的部分不小于2.5 h且不大于為3.5 h(h為支座高度)[20]，閘墩頸部區(qū)域受力較大且應(yīng)力較為集中，故本文型鋼超出支座的長度取上限3.5 h，經(jīng)計(jì)算確定型鋼的總長度為26 m。根據(jù)規(guī)范[21]和前人的研究成果[9]，保護(hù)層厚度取400 mm。

單根、3根、5根型鋼的布設(shè)方式及對應(yīng)的有限元模型分別見圖3、4。

圖3 型鋼混凝土閘墩中不同數(shù)量型鋼的布設(shè)方式(單位：cm)

圖4 不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式的型鋼有限元模型

3 結(jié)果與分析

3.1 型鋼布設(shè)根數(shù)對型鋼混凝土閘墩結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 型鋼布設(shè)根數(shù)對型鋼位移的影響 在正常兩側(cè)擋水的情況下閘墩承受對稱荷載，而左側(cè)單側(cè)擋水的情況下閘墩承受非對稱荷載，且中間型鋼的位置不隨型鋼根數(shù)的變化而發(fā)生變化，故著重研究墩體左邊的中間型鋼和中間橫向型鋼，通過計(jì)算來分析型鋼布設(shè)根數(shù)對型鋼位移的影響。兩種工況下左側(cè)中間型鋼和中間橫向型鋼位移曲線分別見圖5、6。

圖5 兩種工況不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式的左側(cè)中間型鋼位移曲線

圖6 兩種工況不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式的中間橫向型鋼位移曲線

由圖5、6可知，型鋼布設(shè)根數(shù)的不同對型鋼的位移分布規(guī)律影響較小。在兩種工況下，左側(cè)中間型鋼位移最大值均發(fā)生在型鋼頂端并靠近弧門支座處，且順著型鋼長度方向從型鋼的首部至尾端位移值越來越小；正常兩側(cè)擋水時，中間橫向型鋼最大位移出現(xiàn)在型鋼兩端，左側(cè)單側(cè)擋水時，中間橫向型鋼位移最大值發(fā)生在型鋼左端?？傮w上看，在兩種工況下，型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時其位移曲線均比較光滑。

3.1.2 型鋼布設(shè)根數(shù)對閘墩裂縫發(fā)展的影響 3種不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式下，墩體的裂縫分布規(guī)律相同。以3根型鋼布設(shè)為例，兩種工況下其裂縫最終范圍如圖7所示。

圖7 3根型鋼布設(shè)方式下兩種工況閘墩最終裂縫范圍(型鋼夾角12.5°)

由圖7可知，當(dāng)型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時，在正常兩側(cè)擋水的情況下，最終的裂縫發(fā)生在墩體與弧門支座加載面相交線處；左側(cè)單側(cè)擋水情況下，最終的裂縫布滿閘墩與左側(cè)弧門支座相交線處并順著相交線向上、下發(fā)展。布置單根和5根型鋼時墩體裂縫分布規(guī)律與布置3根型鋼一致，只是在分布范圍上有一定的差異，具體兩種工況下不同型鋼布設(shè)數(shù)量的閘墩裂縫分布范圍見表4。

根據(jù)表4可知，在兩種計(jì)算工況中，閘墩的裂縫分布范圍與型鋼布設(shè)根數(shù)緊密相關(guān)，豎直Y向裂縫范圍差異最為明顯，型鋼布設(shè)根數(shù)為3根時，其墩體裂縫分布范圍最小。

表4 兩種工況不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式下閘墩裂縫分布范圍

3.1.3 型鋼布設(shè)根數(shù)對閘墩和型鋼應(yīng)力的影響 由于兩種工況不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式下，墩體的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，故以3根型鋼布設(shè)為例，兩種工況下墩體結(jié)構(gòu)第一、三主應(yīng)力云圖分別見圖8、9。 由圖8、9可知，當(dāng)型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時，兩種工況下閘墩拉應(yīng)力區(qū)均是從閘門支座起沿著支座受力方向向上游呈扇形分布，且在墩體與支座相交處會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。正常兩側(cè)擋水時，第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在距支座上游上部約0.33 m的墩體側(cè)面；左側(cè)單側(cè)擋水時，第一主應(yīng)力最大值發(fā)生在距支座左端上游下部約0.67 m的墩體側(cè)面。

圖8 3根型鋼布設(shè)方式正常兩側(cè)擋水工況下閘墩應(yīng)力云圖

3種不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式下，兩種工況型鋼拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在受力側(cè)中間墩體型鋼與中間橫向型鋼的連接處附近。以3根型鋼布設(shè)為例，其應(yīng)力云圖如圖10所示。兩種工況下型鋼布設(shè)數(shù)量為單根、3根、5根時的應(yīng)力特征值如表5所示。

表5 兩種工況不同數(shù)量型鋼布設(shè)方式下閘墩和型鋼應(yīng)力特征值

圖9 3根型鋼布設(shè)方式左側(cè)單側(cè)擋水工況下閘墩應(yīng)力云圖

圖10 3根型鋼布設(shè)方式兩種工況下型鋼應(yīng)力云圖(型鋼夾角12.5°)

由表5可知，兩種計(jì)算工況中，閘墩第一主應(yīng)力最大值與型鋼最大拉應(yīng)力值隨著型鋼數(shù)量布設(shè)的增多而變化的趨勢一致。型鋼布設(shè)3根時，閘墩第一主應(yīng)力最大值和型鋼最大拉應(yīng)力均為最小。

通過上述關(guān)于型鋼布設(shè)數(shù)量對閘墩結(jié)構(gòu)各方面工作性能的計(jì)算結(jié)果可知，型鋼布設(shè)為3根較為合適。

3.2 型鋼布設(shè)角度對型鋼混凝土閘墩的影響

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[17]要求，型鋼布設(shè)角度一般取10°～15°，故當(dāng)型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時，選取10.0°、12.5°和15.0° 3個布設(shè)角度來研究其對型鋼混凝土閘墩的影響。

前文計(jì)算中型鋼之間的夾角為12.5°，故只需計(jì)算型鋼夾角為10.0°和15.0°的情況，其布設(shè)方式如圖11所示。

圖11 型鋼混凝土閘墩中3根型鋼兩種夾角布設(shè)方式

3.2.1 型鋼布設(shè)角度對型鋼位移的影響 由計(jì)算結(jié)果可知，兩種工況下型鋼之間的夾角對墩體的位移影響甚微，但對型鋼的位移影響較大，因此著重分析型鋼夾角的變化對型鋼位移的影響。在兩種工況下，左側(cè)中間型鋼位移曲線如圖12所示，中間橫向型鋼位移曲線如圖13所示。

圖12 兩種工況3根型鋼不同布設(shè)角度下左側(cè)中間型鋼位移曲線

圖13 兩種工況3根型鋼不同布設(shè)角度下中間橫向型鋼位移曲線

由圖12、13可知，兩種工況下，閘墩左側(cè)中間型鋼的位移最大值均發(fā)生在型鋼頂部，且順著型鋼長度方向從型鋼首部到尾端位移值越來越??；中間橫向型鋼的位移分布呈“凹”形，正常兩側(cè)擋水時，其位移最大值發(fā)生在型鋼兩端，左側(cè)單側(cè)擋水時，其位移最大值發(fā)生在型鋼左端。與前文的計(jì)算結(jié)果相比，型鋼在12.5°布設(shè)時，兩種型鋼的位移曲線均最低，墩體的剛度最好。

3.2.2 型鋼布設(shè)角度對閘墩裂縫發(fā)展的影響 在兩種不同工況下，型鋼夾角12.5°布設(shè)和15.0°布設(shè)時裂縫發(fā)展規(guī)律相似，其裂縫范圍見圖7。型鋼夾角10.0°布設(shè)時裂縫發(fā)展規(guī)律與前兩種布設(shè)角度的裂縫發(fā)展規(guī)律有一定的差異。其裂縫范圍見圖14。

圖14 3根型鋼布設(shè)方式下兩種工況閘墩最終裂縫范圍(型鋼夾角10.0°)

由圖14可知，3根型鋼之間的夾角為10.0°時，正常兩側(cè)擋水工況閘墩最終裂縫出現(xiàn)在支座與墩體相交處并向支座內(nèi)部發(fā)展；左側(cè)單側(cè)擋水工況閘墩最終裂縫布滿墩體與弧門支座左側(cè)加載面相交線，并沿著相交線上、下延伸以及向弧門支座內(nèi)部發(fā)展。兩種工況下，型鋼夾角10.0°、12.5°和15.0°的閘墩裂縫分布范圍如表6所示。

表6 兩種工況型鋼不同角度布設(shè)方式下閘墩裂縫分布范圍

由表6可知，兩種工況中，型鋼夾角不同，則其閘墩裂縫范圍也有所不同，其中順?biāo)鱔方向和左右岸Z方向差異比較明顯，當(dāng)型鋼之間的夾角為12.5°時，閘墩裂縫范圍最小。

3.2.3 型鋼布設(shè)角度對閘墩和型鋼應(yīng)力的影響 在兩種工況中，型鋼的布設(shè)角度對墩體應(yīng)力分布規(guī)律影響甚微。3根型鋼布設(shè)夾角為12.5°時，其閘墩應(yīng)力云圖詳見圖8、9。

在兩種工況中，型鋼夾角不同，型鋼拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置基本一致。3根型鋼布設(shè)夾角為12.5°時，其型鋼應(yīng)力云圖見圖10。兩種工況3種不同的布設(shè)角度下型鋼拉應(yīng)力最大值均發(fā)生在受力側(cè)中間型鋼與中間橫向型鋼的連接處。

型鋼布設(shè)夾角為10.0°和15.0°時，其閘墩應(yīng)力分布規(guī)律及型鋼應(yīng)力最大值發(fā)生位置均與布設(shè)夾角為12.5°時一致，只是在數(shù)值上有一些差別。兩種工況下型鋼布設(shè)夾角為10.0°、12.5°、15.0°時的應(yīng)力特征值如表7所示。

表7 兩種工況型鋼不同布設(shè)角度下閘墩和型鋼應(yīng)力特征值

由表7可知，兩種計(jì)算工況中，閘墩拉應(yīng)力的最大值隨型鋼夾角的增大而出現(xiàn)先減后增的趨勢。當(dāng)型鋼夾角為12.5°時，閘墩的最大拉應(yīng)力值最??；型鋼拉應(yīng)力的最大值均是隨型鋼夾角的增大而出現(xiàn)先減后增的趨勢，且變幅較大。當(dāng)型鋼夾角為12.5°時，其最大拉應(yīng)力值最小。

3.3 型鋼布設(shè)長度對型鋼混凝土閘墩結(jié)構(gòu)的影響

由上述結(jié)果可知，閘墩中布設(shè)3根型鋼且它們之間的夾角為12.5°時，為最合理的布設(shè)方式。方鎮(zhèn)國等[20]建議在局部受拉區(qū)域內(nèi)的鋼筋應(yīng)長短交替布置，故在上述型鋼最合理布設(shè)方式的基礎(chǔ)上，將3根型鋼等長扇形布設(shè)分別改為一長兩短和一短兩長兩種不同的扇形布設(shè)方式。長型鋼總長度為26 m，短型鋼取超出支座的部分為2.5 h，即短型鋼總長度為20 m，具體布設(shè)方式如圖15所示。

圖15 型鋼混凝土閘墩中3根型鋼長短交替布置方式

經(jīng)計(jì)算可知，兩種工況下型鋼布設(shè)長度對混凝土閘墩結(jié)構(gòu)工作性能影響甚微。但從經(jīng)濟(jì)方面考慮，型鋼選取一長兩短布設(shè)時較為合適。

4 結(jié) 論

通過以上系統(tǒng)化的計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論：

(1)兩種計(jì)算工況中，型鋼布設(shè)數(shù)量的增多對型鋼位移變化影響甚微，但墩體和型鋼的拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)先減后增的趨勢，且變幅較大。當(dāng)型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時，墩體的裂縫分布范圍最小，故型鋼布設(shè)數(shù)量為3根時最優(yōu)。

(2)兩種計(jì)算工況中，型鋼布設(shè)數(shù)量為3根的情況下，當(dāng)型鋼夾角增大時，型鋼和墩體最大拉應(yīng)力值均呈現(xiàn)先減后增的趨勢，當(dāng)型鋼布設(shè)夾角為12.5°時，型鋼的位移和墩體的裂縫分布范圍均達(dá)到最小，因此型鋼布設(shè)夾角為12.5°時最優(yōu)。

(3)對于類似閘墩，建議采用3根型鋼、12.5°夾角、一長兩短的扇形方式布設(shè)，此布設(shè)方案閘墩工作性能最優(yōu)且比較經(jīng)濟(jì)。