扶壁整體式閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究

◎ 劉靈靈 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院

1.引言

船閘閘室通常采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般由閘室墻和閘室底板兩部分組成。按照閘墻和底板之間的連接關(guān)系，分為整體式結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)[1]。土基上的閘室墻常用結(jié)構(gòu)型式有整體塢式、塢式雙鉸、重力式、懸臂式和扶壁式。

鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)為一種閘墻與底板連接在一起的閘室結(jié)構(gòu)型式，通常指鋼筋涯凝土塢式結(jié)構(gòu)。另有一種鋼筋混凝土懸臂式閘室結(jié)構(gòu)，在底板的中間分縫，每側(cè)的底板與閘墻整體受力，通常將這種型式也列入整體式結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好、對(duì)地基適應(yīng)性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)混凝土工程量較少等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在閘室底板鋼筋用量較大、施工技術(shù)要求較高等缺點(diǎn)。鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)一般適用于設(shè)計(jì)水頭及閘室寬度均較小、基礎(chǔ)地質(zhì)條件較差的情況。如漢江王甫洲船阿(以下簡(jiǎn)稱王甫洲船閘)設(shè)計(jì)水頭10.8m，閘室寬度12.0m，地基為石閘室采用鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)[2-3]。

2.閘室布置情況

閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)25m，寬12m，墻頂高程534.2m，底高程528.0m，底板厚1.0m，頂部現(xiàn)澆厚0.6m的鋼筋砼閘墻，閘墻頂部高程534.2m。墻后填土高程534.2m[4]，閘室斷面圖如圖1所示。

圖1 閘室斷面圖

3.主要計(jì)算參數(shù)

（1）回填土參數(shù)。

根據(jù)本項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況，土壓力計(jì)算采用等代指標(biāo)。

水上：γ=19.0kN/m3，Ψ=30°，C=0；

水上：γ浮=10.0kN/m3，Ψ=27°，C=0；

γ飽和=20.0k N/m3，Ψ=27°，C=0。

（2）材料容重。

混凝土：24.0kN/m3；鋼筋混凝土：25.0kN/m3；漿砌塊石：23.0kN/m3。

（3）混凝土底板與土基摩擦系數(shù)。

一般地基非淤泥土情況下:

f=0.35。

（4）地基參數(shù)。

地基變形壓縮模量

E0＝30000kN/m2，

泊松比μ0＝0.3。

（5）船舶系纜力、撞擊力。

按照船閘規(guī)范系纜力采用25kN。

船舶撞擊力:閘室采用50kN。

（6）風(fēng)荷載。

W0=0.6kN/m2。

（7）地面活荷載。

采用均布荷載：4kPa。

4.閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 閘室整體式結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)型式和尺寸，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)工況，分別進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算和地基反力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表1和表2。

表1 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表2 地基應(yīng)力值表

由表2可知，各種工況下，扶壁整體式擋土墻的地基應(yīng)力值均小于第③層圓礫層的地基承載力特征值400kPa。

4.2 閘室整體式結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用MIDAS/Gen有限元軟件計(jì)算。

設(shè)計(jì)低水位計(jì)算結(jié)果見圖2 至圖8。

圖2 設(shè)計(jì)低水位-底板Mxx彎矩

圖3 設(shè)計(jì)低水位-底板Myy彎矩

圖4 設(shè)計(jì)低水位-底板Vxx剪力

圖5 設(shè)計(jì)低水位-底板Vyy剪力

圖6 設(shè)計(jì)低水位側(cè)墻Myy彎矩1

圖7 設(shè)計(jì)低水位側(cè)墻Myy彎矩2

圖8 設(shè)計(jì)低水位肋板Myy彎矩

設(shè)計(jì)高水位計(jì)算結(jié)果見圖9至圖14。

圖9 設(shè)計(jì)高水位-底板Mxx彎距

圖10 設(shè)計(jì)高水位-底板Myy彎矩

圖11 設(shè)計(jì)高水位-底板Vxx剪力

圖12 設(shè)計(jì)高水位-底板Vyy剪力

圖13 設(shè)計(jì)高水位側(cè)墻Myy彎矩1

圖14 設(shè)計(jì)高水位側(cè)墻Myy彎矩2

計(jì)算結(jié)果表明，整體穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，最大地基反力小于允許承載力。

5.結(jié)語

整體式閘室是船閘閘室主要采用的結(jié)構(gòu)型式之一，閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文利用有限元軟件MIDAS/Gen建立閘室結(jié)構(gòu)空間有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)受力狀況，建議工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)各構(gòu)件的受力情況對(duì)其強(qiáng)度及尺寸進(jìn)行合理的調(diào)整。