大尺寸弧門支承梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及閘墩受力狀態(tài)研究

劉益鋒

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

1 工程概況

圖爾古松水電站位于哈薩克斯坦圖爾古松河上，裝機(jī)容量為24.9 MW，正常蓄水位（設(shè)計(jì)洪水位）567.50 m，校核洪水位569.00 m，總庫容0.087 9億m3，壩頂高程571.00 m，最大壩高36.50 m，為Ⅳ等?。?）型工程。電站采用河床式布置，泄水建筑物共布置1 孔溢流表孔及2 孔泄洪深孔，其中泄洪深孔壩段寬20.00 m，順?biāo)鞣较蜷L33.50 m，弧形工作閘門孔口尺寸為5.00 m×8.00 m（寬×高），孔底高程539.00 m。

2 弧門支承梁斷面設(shè)計(jì)

2.1 支承梁布置型式及尺寸擬定

目前，弧門支承體的結(jié)構(gòu)型式主要有牛腿、錨塊、懸臂深梁及跨孔口深梁等幾種類型[1]，當(dāng)泄洪孔口為大跨度、多孔口結(jié)構(gòu)，整個(gè)閘室處于地質(zhì)條件較好的基巖上時(shí)，為使結(jié)構(gòu)體型簡單，施工方便，可考慮采用錨塊式支承體結(jié)構(gòu)；當(dāng)高水頭泄洪孔口或孔口閘墩為縫墩或孔口寬度較小時(shí)，為提高壩體的剛度以抵御地震作用及高速水流引起的震動，減小偏心受力的不利影響，可采用跨孔口的深梁型式[2]。考慮到該工程泄洪深孔孔口寬度僅為5.00 m，因此將弧門支承梁設(shè)成兩端固支于閘墩上的深梁。

在弧門啟門瞬間，支承梁承受弧門推力最大；單個(gè)支鉸垂直支承梁方向推力11 400 kN，平行支承梁推力1 100 kN，側(cè)推力80 kN。

支承梁的基本斷面為2.50 m×2.50 m 的矩形，考慮到運(yùn)行期檢修要求，將支承梁頂部設(shè)成水平面。弧門支承梁上游面與支鉸作用力方向垂直，且支鉸作用力方向通過支承梁上游面中心，弧門支承梁結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 弧門支承梁結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 支承梁內(nèi)力計(jì)算

弧門支承梁承受荷載為自重和弧門推力，弧門支承梁可簡化為兩端支撐于閘墩上的受彎構(gòu)件。為計(jì)算端部及跨中配筋，按2 種工況進(jìn)行計(jì)算：1）兩端固結(jié)，此時(shí)兩端負(fù)彎矩最大，以此結(jié)果來配置負(fù)彎矩鋼筋；2）兩端簡支，此時(shí)跨中彎矩最大，以此結(jié)果來配置中部受拉鋼筋。

通過計(jì)算，支座最大負(fù)彎矩產(chǎn)生于兩端固結(jié)工況，M支座max=9 736.84 kN·m；跨中最大正彎矩產(chǎn)生于兩端簡支工況，M跨中max=12 256.70 kN·m。兩端固結(jié)及兩端簡支工況下，最大剪力的大小及產(chǎn)生的位置相同，均產(chǎn)生于弧門支鉸荷載作用處，Qmax=12 327.52 kN。

2.3 支承梁截面復(fù)核及配筋計(jì)算

1）正截面受彎承載力驗(yàn)算

根據(jù)DL/T 5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）第13.7.3 條規(guī)定，對深受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力進(jìn)行驗(yàn)算。為方便施工，采用對稱配筋。經(jīng)計(jì)算，選用29?32 的Ⅲ級鋼筋作為弧門支承梁的縱向受力鋼筋，鋼筋截面面積能滿足正截面抗彎承載力要求。

2）斜截面受剪承載力

弧門支承梁基本斷面尺寸為2.50 m×2.50 m的矩形，經(jīng)計(jì)算，截面滿足《規(guī)范》第13.7.4 要求；支承梁布置?25@100 的箍筋，箍筋為四肢箍，滿足《規(guī)范》13.7.5 斜截面受剪承載力要求。

3）抗裂驗(yàn)算

弧門支承梁所處的環(huán)境為二類環(huán)境，由于支承梁混凝土保護(hù)層厚度大于50 mm，因此最大裂縫寬度限值為0.35 mm。根據(jù)《規(guī)范》第10.2.2 要求，經(jīng)計(jì)算，最大裂縫寬度為0.33 mm，滿足正截面裂縫寬度控制要求。

3 閘墩扇形鋼筋設(shè)計(jì)

3.1 閘墩局部受拉區(qū)扇形鋼筋截面面積

式中：F為閘墩一側(cè)弧門支座推力的設(shè)計(jì)值，kN；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)；Asi為閘墩一側(cè)局部受拉有效范圍內(nèi)的第i根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2；fy為局部受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；B′0為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離，mm；as為縱向鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊緣的距離，mm；θi為第i根局部受拉鋼筋與弧門推力方向的夾角，（°）；e0為弧門支座推力對閘墩中心線的偏心距，mm；B為閘墩厚度，mm。

經(jīng)計(jì)算，邊墩布置3 排扇形筋，第1，2 排均布21?36，第3 排布21?32；中墩布置3 排扇形鋼筋，第1 排布21?36，第2，3 排均布21?32。

3.2 閘墩扇形鋼筋布置

閘墩局部受拉鋼筋考慮扇形配筋方式，扇形鋼筋與弧門推力方向的夾角不宜大于30°，工程上部扇形鋼筋與弧門推力方向的夾角30°，下部扇形鋼筋與弧門推力方向夾角30°，扇形筋間夾角為3°。

4 弧門支承梁及閘墩受力狀態(tài)研究

當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，其承受的水壓力將通過支承梁傳遞至閘墩，再通過閘墩扇形鋼筋將集中力傳遞至上游部分。在較大弧門推力作用下，弧門支承梁會產(chǎn)生較大變形，同時(shí)在閘墩頸部會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，支承梁、閘墩及壩體之間相互作用，受力情況較為復(fù)雜。因此有必要通過有限元計(jì)算，分析支承梁及閘墩的受力狀態(tài)。

4.1 計(jì)算模型

以泄洪深孔壩段為研究對象，對單個(gè)壩段進(jìn)行建模，計(jì)算模型見圖2。地基范圍從壩踵和壩趾分別向上、下游取1.5 倍壩高，地基深度取1.5 倍壩高。有限元模型的坐標(biāo)系：水流方向?yàn)閄軸方向，向下游為正；沿高度方向?yàn)閅軸方向，向上為正；垂直水流方向?yàn)閆軸方向，向右岸為正。模型約束情況：地基底面為三向約束，上、下游面和側(cè)面均為法向約束?；炷良暗鼗鶐r土本構(gòu)模型均為線彈性模型。

圖2 整體有限元計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

為簡化計(jì)算，壩體混凝土采用C30 鋼筋混凝土，地基基巖為花崗閃長巖，材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 計(jì)算工況及荷載組合

分別對兩種工況進(jìn)行計(jì)算，工況1：電站正常運(yùn)用，兩扇弧門同時(shí)開啟瞬間；工況2：檢修工況，一側(cè)弧門關(guān)閉檢修，另一側(cè)弧門開啟瞬間。兩種工況上游水位567.50 m，下游水位540.00 m，荷載組合均為自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

對兩種計(jì)算工況下的弧門支承梁及閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析，研究支承梁及閘墩頸部的應(yīng)力特征。

計(jì)算結(jié)果表明：在較大弧門推力作用下，閘墩頸部均產(chǎn)生拉應(yīng)力，工況1，2 條件下，閘墩頸部最大拉應(yīng)力分別為4.58，4.44 MPa，超出閘墩C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；在工況2 條件下，由于受偏心荷載作用，閘墩表面拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的范圍較工況1 更大；但拉應(yīng)力向上游衰減較快，距頸部斷面垂直距離約0.80 m，應(yīng)力已經(jīng)小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

在中墩表面第一主應(yīng)力極值處沿閘墩厚度方向進(jìn)行映射，得出兩種工況下沿閘墩厚度方向第一主應(yīng)力分布圖，見圖3。由圖3 可知，工況1 由于結(jié)構(gòu)受力對稱，在對稱荷載作用下，中墩兩側(cè)均產(chǎn)生較大拉應(yīng)力；工況2 由于結(jié)構(gòu)受力不對稱，中墩在擋水一側(cè)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力沿厚度方向逐漸減小；閘墩主應(yīng)力僅表面超出混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，由于閘墩表面已經(jīng)配置了分布鋼筋和扇形鋼筋，認(rèn)為混凝土和鋼筋聯(lián)合受力可以滿足要求。

5 結(jié)語

對弧門支承梁進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)及配筋計(jì)算，同時(shí)分析支承梁及閘墩在較大弧門推力作用下的受力特性，得出如下結(jié)論：

圖3 中墩沿典型路徑第一主應(yīng)力分布圖

1）對弧門支承梁的設(shè)計(jì)可按簡支和固支進(jìn)行簡化，結(jié)合圖爾古松水電站弧門支承梁設(shè)計(jì)可知，設(shè)計(jì)斷面和配筋滿足抗彎、抗剪及裂縫寬度要求，可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

2）弧門支承梁附近閘墩在兩側(cè)或一側(cè)支座推力作用下，支座與閘墩交接處容易出現(xiàn)垂直于推力方向的裂縫，并沿厚度方向發(fā)展。為限制裂縫開展，需在閘墩局部受拉區(qū)布置扇形鋼筋。

3）通過三維有限元軟件分析弧門支承梁及閘墩受力狀態(tài)，分析認(rèn)為，在較大弧門支座推力作用下，閘墩頸部拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但拉應(yīng)力向上游衰減較快；且沿閘墩厚度方向，僅表面混凝土拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可通過配置扇形鋼筋來限制裂縫的開展。并為同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。