某水庫工程放水塔工作橋的簡化模型結(jié)構(gòu)設計

曾 祥

(云浮市水利水電勘測設計院，廣東 云浮 527300)

放水塔作為水利工程水庫中一個重要的構(gòu)筑物，起著不可替代的作用。工作橋往往為了滿足放水塔的正常運行需要，工作橋跨度大、凈空高，需要根據(jù)實際地形情況進行配套建設，無法采用標準圖集進行施工建設。本文以廣東省云浮市云安區(qū)富林鎮(zhèn)東升水庫除險加固工程的放水塔工作橋為例，對工作橋進行承載能力分析并計算選用配筋，同時復核工作橋梁、板的裂縫寬度和撓度是否滿足規(guī)范要求。

1 工程基本情況

廣東省云浮市云安區(qū)富林鎮(zhèn)東升水庫興建于20世紀70年代，位于新興江一級支流小河的上游，集雨面積為21 km2，總庫容為643萬m3，保護下游農(nóng)田耕地約5000畝、捍衛(wèi)人口約1萬人，是一座同時兼具防洪和灌溉功能的小(1)型水庫。東升水庫工程設計防洪標準為30 a一遇、校核防洪標準為300 a一遇，相應洪峰流量分別為385 m3/s和560 m3/s，死水位為124.00 m、死水庫容為20萬m3，正常蓄水位為145 m、興利庫容為388萬m3，設計水位為149.28 m、相應庫容為549萬m3。水庫工程主要由大壩、溢洪道、放水塔、放水涵管等建筑物組成。其中大壩為均質(zhì)土壩，壩身填土為素填土，為稍密-中密砂巖風化殘積土回填，含較多強-中風化巖塊，壩基為強風化變質(zhì)砂巖。東升水庫大壩壩頂高程為153.00 m，最大壩高41.00 m，壩頂長221.50 m，壩頂寬5.50 m。溢洪道進口底高程為145.00 m，凈寬10.00 m，設計最大下泄流量為234.11 m3/s。放水涵為管徑為Φ1.40 m的鋼筋混凝土壓力涵管，進口底高程124.00 m，采用平板閘放水，最大輸水能力為14.20 m3/s。根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露，工作橋基礎主要為強風化變質(zhì)砂巖，巖石風化程度不均勻，層中局部夾中風化巖塊，較硬。工作橋位于主壩左壩肩，橋最大凈高29.00 m，地基承載力特征值240 kPa。

東升水庫先后經(jīng)歷兩次除險加固工作，分別對大壩壩身、溢洪道、放水設施等實施重建或加固措施，整治完工部分至今運行良好。而其中放水塔的工作橋未曾進行除險加固，已出現(xiàn)表皮剝落、漏筋等現(xiàn)象，對放水塔的正常運行埋下安全隱患。經(jīng)綜合考慮，決定對其進行重建。

2 工作橋分析計算

由于東升水庫工作橋日常承受的荷載不大，主要由自重、人群荷載及放水設備運輸時的自重組成，工作橋采用整體澆筑混凝土成型。工作橋跨度為10.00 m，總寬度為2.0 m，梁板式結(jié)構(gòu)，主梁采用800 mm×400 mm矩形斷面，橋面板采用200 mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆，混凝土強度等級為C30，鋼筋采用HPB300、HRB400兩種規(guī)格。工作橋橫斷面圖見圖1。

圖1 工作橋橫斷面圖

2.1 工作橋內(nèi)力計算

工作橋內(nèi)力主要包含人群荷載、工作橋自重、橋上移動荷載、工作橋板設計彎矩、工作橋橫梁截面抗剪力和工作橋橫梁彎矩，根據(jù)基礎資料計算過程和結(jié)果如下：

(1)人群荷載標準值參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載設計規(guī)范》(GB 50009-2012)取3.0 kN/m2。

(2)工作橋自重標準值(0.2×1+0.8×0.4)×25+0.18×1.5×24=19.48 kN/m

(3)橋上移動荷載：15.7×1/2=7.89 kN

(4)工作橋板設計彎矩設計值：

M=1.05×1/8×0.2×25×1.62+1.2×1/8×3×1.62+1.2×7.89×1.6×1/2=10.41 kN·m

(5)工作橋橫梁截面抗剪設計值：

Vc=0.7ftbh0=0.7×1.27×400×740/1000=263.14 kN>KN=129.74×1.15=149.20 kN

(6)工作橋橫梁彎矩設計值：

M=1/8×(1.05×19.48+1.2×2×3)×102+1.2×7.89×5×1/2=369.35 kN·m

2.2 工作橋的配筋設計

云安區(qū)富林鎮(zhèn)東升水庫的放水塔工作橋采用相對簡單的單跨矩形截面簡支梁結(jié)構(gòu)。其工作橋的配筋主要包括承重梁、橋面板和立柱的配筋。這里首先計算單邊承重梁和橋面板的配筋。

(1)梁配筋計算：

選取鋼筋為4Φ25，則AS=1964 mm2

(2)板配筋計算：

A=ρminbh0=0.2%×1000×180=360>228.48=AS

選取鋼筋為Φ10@180，則AS=436 mm2

工作橋梁、板配筋具體見圖2。

圖2 工作橋橫斷面配筋圖

3 工作橋的立柱計算

云安區(qū)富林鎮(zhèn)東升水庫的放水塔工作橋的立柱主要受風荷載的影響，重點在上下兩端的支座簡化：下端普遍簡化為固定支座，上端縱向簡化為鉸支座、橫向簡化為自由端。根據(jù)此簡化計算模型，可分別計算立柱所受的風荷載w和設計軸向荷載N，受力荷載示意圖見圖3。

圖3 立柱受力示意圖

(1)立柱計算采用1000 mm×2000 mm矩形截面立柱，風荷載w=βzμsμzw0，其中：βz為高度z處的風振系數(shù)，參考《水工建筑荷載設計規(guī)范》(SL 744-2016)第10.1.8條規(guī)定，取1.0；μs為風荷載體型系數(shù)，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)表8.3.1風荷載體型系數(shù)，第34項規(guī)定，取1.3；μz為風壓高度變化系數(shù)，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)表8.2.1，取1.67；w0為基本風壓值，參考廣東省標準《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-22-2013)按100 a一遇計算，取0.45 kN/m2。

w=βzμsμzw0=1.0×1.3×1.67×0.45×1.5=1.47 kN/m2

(2)單柱軸向力設計值：

N′=1.05×19.48×10+1.2×2×3×10+15.78+1.0×1.9×29×25=1669.82 kN

(3)設計軸向荷載：N=KN′=1.15×1669.82=1920.29 kN

3.1 立柱的橫向受力配筋計算

風荷載造成的橫向彎矩：

M=1.2×1.8×10×1.47×27.2+1.2×0.5×27.2×(27.2×1×1.47)=1516.19 kN·m

當橫向考慮為自由端時l0=2.0×27.2=54.4 m(橋面板高程-橋面梁板高度-建基面高程-承臺高程-覆土厚度=153-0.8-128)。

=1+1/[1300×(1516.19×103/1669.82+1900/30)]×28.632×1=1

M=ψCmηnsM2=1.2×1×1×1516.19=1819.43 kN·m

ei=e0+ea=1090+1900/30=1153 mm

a1=16.7/16.7=1

=(1284.92×103×2043-0.358×13.47×1000×18402)/[0.9×300×(1840-60)]

=-28508<0

3.2 立柱的縱向受力配筋計算

風荷載造成的縱向彎矩：M=1.2×0.5×27.2×(27.2×1.9×1.47)=1239.82 kN·m；l0=1.0×27.2=27.2 m(橋面板高程-橋面梁板高度-建基面高程-承臺高程-覆土厚度=153-0.8-128=24.2 m)。

=1+1/[1300×(1239.82×103/1669.82+1000/30)]×27.22×1=1

M=ψCmηnsM2=1.2×1×1×1239.82=1487.78 kN·m

ei=e0+ea=890.98+1000/30=924 mm

a1=16.7/16.7=1

=(1669.82×103×1364-0.358×13.47×1900×9402)/[0.9×300×(940-60)]

=-24487<0

故不需要配受力的受壓鋼筋，立柱按最小配筋率配筋：

4 工作橋的承重梁裂縫寬度驗算

根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL 191-2008)，對矩形截面的受拉、受彎和偏心受壓鋼筋混凝土構(gòu)件，最大裂縫寬度可按下式進行計算：

式中：α為綜合系數(shù)；c為受拉鋼筋的混凝土保護層厚度，當c<20 mm時，取c=20 mm當c>65 mm時，取c=65 mm；此處取30 mm。ρte為縱向受拉鋼筋的有效配筋率，當ρte<0.03時，取ρte=0.03。

經(jīng)計算，支座截面處為0.156 mm、跨中截面處為0.123 mm。根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL 191-2008)，梁裂縫寬度值均小于規(guī)范允許值0.30 mm，滿足規(guī)范要求。

5 工作橋的立柱和承重梁的撓度計算

總撓度WB=WBF+WBq=1.63×10-6+1.85×10-3=1.85×10-3mm。根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL 191-2008)，撓度值均小于規(guī)范允許值[f]=l/400=0.136 m，滿足規(guī)范要求。

(2)根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL 191-2008)，對矩形截面的受彎構(gòu)件剛度B可按下式進行計算：

B=0.65BS=(0.025+0.28αEρ)(1+0.55γf)Ecbh03

式中：BS為荷載效應標準組合作用下受彎構(gòu)件的短期剛度；αE為受拉鋼筋彈性模型與混凝土彈性模量之比，αE=Es/Ec；ρ為縱向受拉鋼筋的配筋率，當ρ=A/b0h0；Ec為混凝土彈性模量。

式中：f為梁的撓度；S與荷載形式、支承條件有關(guān)的系數(shù)。

經(jīng)計算，主梁最大跨中撓度為3.32 mm，梁撓度值小于規(guī)范允許值撓度值均小于規(guī)范允許值[f]=l/400=0.025 m，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

(1)通過對上述計算結(jié)果的分析可知：工作橋結(jié)構(gòu)尺寸選擇合理，配筋滿足承載力要求，且梁裂縫寬度及變形滿足規(guī)范要求，為工作橋梁結(jié)構(gòu)設計提供充分的理論依據(jù)。

(2)對工作橋可按照現(xiàn)行理論和規(guī)范的要求進行設計，上端直接搭接，避免形成超定靜結(jié)構(gòu)時，受支座的變形或溫度的影響產(chǎn)生應力應變導致結(jié)構(gòu)開裂。立柱主要系長細比制約了立柱的尺寸，上端無橫向約束簡化為自由端，縱向有岸坡以及放水塔的約束簡化為鉸支座。下一步可利用有限元分析法對工作橋的結(jié)構(gòu)進一步細化分析，以優(yōu)化工程設計成果。