渦河蒙城樞紐工程桁架結(jié)構(gòu)及斜桿的應用與研究

劉 洋 劉 春 張圣楠

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 工程概況

蒙城樞紐位于蒙城縣北關(guān)渦河上，由節(jié)制閘、分洪閘及船閘三座建筑物組成，是渦河上一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運于一體的大型樞紐工程，控制流域面積15475km2，設計蓄水灌溉面積。節(jié)制閘為2 級建筑物，船閘級別為1000 噸級。節(jié)制閘位于蒙城樞紐居中核心位置，建筑面積約2723m2，橋頭堡4 層，啟閉機房1 層。采用“蝶夢莊生”造型的建筑方案，將抽象處理的蝴蝶剪影印刻在畫紙之上，通過莊子夢蝶典故充分展現(xiàn)當?shù)刂性赜蛭幕?；船閘毗鄰節(jié)制閘，建筑面積1623m2，上閘首3 層，設連廊連通兩側(cè)閘首。上閘首兩側(cè)采用翼展造型，與節(jié)制閘遙相呼應。整體建筑方案通過蝴蝶飄逸的圖案形象地傳達了建筑師想要表達的圖紙剪影。

2 結(jié)構(gòu)選型及方案設計

2.1 蒙城節(jié)制閘

蒙城節(jié)制閘分為橋頭堡和啟閉機房兩部分組成，橋頭堡兩側(cè)端部采用了大懸挑倒三角的蝴蝶造型，翼端懸挑長度達到11.5m，屬于大懸挑結(jié)構(gòu)，見圖1。交通橋側(cè)設置了12.5m 高度的“V”型柱支承的大平臺，平臺跨度12m，支承構(gòu)件屬于躍層結(jié)構(gòu)柱。啟閉機房居中抬高位置的兩跨結(jié)構(gòu)單體設置了大挑檐，懸挑長度為8m。節(jié)制閘的建筑造型舒展、輕巧靈動?？紤]到水利工程建筑物的特殊性，既要充分展現(xiàn)建筑意圖和效果表達，同時要兼顧建筑物的耐久性、維護成本。首先確定了主體結(jié)構(gòu)盡量采用耐久性、防火性更好的混凝土材料，局部采用鋼結(jié)構(gòu)。從現(xiàn)場實施難度、進度工期及經(jīng)濟性等多種因素考慮，擬定了具有針對性的結(jié)構(gòu)設計方案（表1）。通過結(jié)構(gòu)方案比選，橋頭堡斜墻倒三角大懸挑采用混凝土結(jié)構(gòu)，對懸挑端桁架體系進行優(yōu)化，懸臂混凝土梁加入型鋼，型鋼混凝土懸臂梁進一步增加了挑梁剛度，并減少了懸挑部位的結(jié)構(gòu)自重，有效地降低了偏心荷載對下部水工結(jié)構(gòu)的影響，減小了施工作業(yè)的難度，提升了建筑功能空間的需要，同時兼顧建筑外觀造型，見圖2。躍層大平臺均采用混凝土材料，V 型柱由斜桿、框架柱組成與框架梁形成三角形體系共同支承平臺荷載，并與橋頭堡主體結(jié)構(gòu)連接成整體以確保平面外穩(wěn)定性。啟閉機房中部的大挑檐通過結(jié)合建筑造型，懸挑結(jié)構(gòu)采用混凝土桁架或增設斜桿，明確傳力途徑，并使得結(jié)構(gòu)布置與建筑造型協(xié)調(diào)統(tǒng)一，見圖3。

圖1 節(jié)制閘橋頭堡懸挑結(jié)構(gòu)圖（優(yōu)化前）

圖2 節(jié)制閘橋頭堡懸挑結(jié)構(gòu)圖（優(yōu)化后）

圖3 節(jié)制閘啟閉機房挑檐結(jié)構(gòu)圖

表1 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)方案表

2.2 蒙城船閘

蒙城船閘由船閘上閘首和下閘首組成，其中船閘上閘首采用了兩側(cè)翼展懸挑的造型，閘首間設置了連廊作為連接兩側(cè)閘首的通道。連廊結(jié)構(gòu)跨度達到29.1m，屬于大跨度結(jié)構(gòu)。（1）平面結(jié)構(gòu)分析，考慮到兩側(cè)閘首都是單跨框架結(jié)構(gòu)，連廊連接支承處位于兩側(cè)閘首樓梯間，此層連接處無樓板水平剛度較為薄弱。（2）豎向結(jié)構(gòu)分析，連廊位于結(jié)構(gòu)高度的2/3 以上位置，此層的側(cè)向剛度小于上層（頂層）側(cè)向剛度的50%。綜上所述，船閘上閘首屬于平面及豎向不規(guī)則的連體結(jié)構(gòu)。初步方案擬采用連廊兩端與主體結(jié)構(gòu)脫開的結(jié)構(gòu)形式，力求把復雜結(jié)構(gòu)變?yōu)閭髁γ鞔_，受力合理的簡單結(jié)構(gòu)體系。其次，考慮到連廊距閘室底板的高度為11.5m，如采用混凝土結(jié)構(gòu)，需采用高支模施工方案。不但施工難度較大，而且增加了成本，延長了工期。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案的比選，大跨度連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，鋼構(gòu)件采用實腹型H 型鋼，工廠預先制作加工，現(xiàn)場整體吊裝。此方案不但降低了成本，縮短了工期，且大大減小了施工難度。但是鋼結(jié)構(gòu)的耐久性及防火性略差，為保證可靠的耐久性和安全性，減少運管和維護的難度，鋼桁架連廊的屋蓋和樓蓋均采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)（鋪設的鋼筋桁架樓承板作為受力構(gòu)件可充當永久性模板，其上現(xiàn)澆鋼筋混凝土）。連廊直接設在預埋的鋼牛腿上，主體結(jié)構(gòu)針對連廊設鋼擋板防止側(cè)移傾覆，支座選擇采用成品鋼支座，設計使用壽命不低于50年。通過以上手段提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 結(jié)論

針對規(guī)模較大的水利樞紐工程，建筑物造型較為多樣復雜，主要表現(xiàn)在橋頭堡及啟閉機房屋蓋采用大懸挑、大跨度等建筑立面。結(jié)構(gòu)設計可借鑒公建的設計思路，桁架結(jié)構(gòu)及斜桿的靈活運用可基本解決各類大懸挑、大跨度等結(jié)構(gòu)難題?？紤]到水利工程的特殊性，應優(yōu)先考慮采用混凝土結(jié)構(gòu)形式使結(jié)構(gòu)耐久性得到保證，同時要考慮對下部水工結(jié)構(gòu)的影響。通過在混凝土結(jié)構(gòu)中增加型鋼減小混凝土構(gòu)件截面并增加結(jié)構(gòu)延性、優(yōu)化桁架體系降低上部懸挑結(jié)構(gòu)自重，都將大幅減小對下部水工結(jié)構(gòu)偏心荷載的作用。

對于設置大跨度連廊的船閘建筑物屬于連體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，宜按與主體結(jié)構(gòu)脫開的思路進行設計。針對此類結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的豎向剛度也存在不規(guī)則，尤其船閘連廊高度距離作業(yè)地面較高，采用混凝土結(jié)構(gòu)支模實施難度較大?？煽紤]采用鋼桁架結(jié)構(gòu)設計連廊，采用整體吊裝的方式實現(xiàn)，通過現(xiàn)澆混凝土屋蓋、樓面及采用成品鋼支座等措施可以滿足結(jié)構(gòu)耐久性的需要■