王堤口渡槽下部框架結(jié)構(gòu)荷載組合及應(yīng)力分析

竇洪國(guó) 隋保生 劉紅偉 李 鵬

(1.山東省聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院山東聊城252000;2.山東省聊城市水利開發(fā)投資公司山東聊城252000;3.山東省聊城市水利工程建設(shè)監(jiān)理站山東聊城252000)

1 工程概況

聊城市位山引黃灌區(qū)王堤口渡槽位于聊城市東昌府區(qū)境內(nèi),是位山三干渠跨越徒駭河的平面交叉建筑物。徒駭河是聊城市境內(nèi)主要的排澇河道,設(shè)計(jì)排澇流量323m3/s,設(shè)計(jì)行洪流量488m3/s。王堤口渡槽設(shè)計(jì)流量100m3/s,加大流量110m3/s,不僅承擔(dān)著下游200多萬畝農(nóng)田的灌溉任務(wù),還承擔(dān)著引黃濟(jì)津、引黃濟(jì)淀等跨流域調(diào)水的任務(wù),發(fā)揮著不可替代的樞紐作用。

王堤口渡槽順?biāo)飨蛉L(zhǎng)98.4m,槽身結(jié)構(gòu)自下而上依次為:灌注樁基礎(chǔ)、樁頂連續(xù)梁、連續(xù)底板、鋼閘門側(cè)墻、閘墩、排架、機(jī)架橋、機(jī)房。其側(cè)墻由18扇直升式平面鋼閘門組成,左右兩側(cè)各9扇,單孔閘門尺寸 (寬×高)10.8m×4.1m。底板和側(cè)墻共同組成 (寬×高)22.0m×4.1m的矩形輸水?dāng)嗝妗?/p>

2 荷載組合分析

灌注樁基礎(chǔ)、蓋梁和閘墩共同組成一個(gè)多次超靜定框架結(jié)構(gòu),如圖1所示。為便于結(jié)構(gòu)計(jì)算,根據(jù)各桿件的剛度大小關(guān)系,對(duì)桿件進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化處理,閘墩、斜撐與蓋梁之間簡(jiǎn)化為剛結(jié)點(diǎn),蓋梁與樁基之間簡(jiǎn)化為鉸接點(diǎn)。在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算之前,根據(jù)渡槽在輸水期間可能發(fā)生的各種運(yùn)行工況,將可能同時(shí)作用在框架結(jié)構(gòu)上的各種荷載進(jìn)行組合。

2.1 基本組合Ⅰ

施工完建期 (閘門關(guān)閉),渡槽內(nèi)無水?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、人群荷載以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.2 基本組合Ⅱ

施工完建期 (閘門開啟),渡槽內(nèi)無水?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、人群荷載、風(fēng)荷載以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況注意,鋼閘門處于開啟狀態(tài)時(shí),其受到的風(fēng)荷載不可忽略。

2.3 基本組合Ⅲ

設(shè)計(jì)水位輸水期,渡槽內(nèi)為設(shè)計(jì)輸水位 (水深2.47m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、人群荷載、風(fēng)荷載、靜水壓力以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.4 基本組合Ⅳ

加大水位輸水期 (開啟閘門時(shí)),渡槽內(nèi)為加大輸水位 (水深2.65m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、人群荷載、風(fēng)荷載、靜水壓力以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況須注意,閘門開啟過程中,閘門滑塊對(duì)閘墩有向上的摩擦力,計(jì)算上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到 閘墩的力和力矩時(shí),須考慮啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響。

圖1 閘墩、蓋梁和樁基礎(chǔ)組成的框架結(jié)構(gòu)

2.5 基本組合Ⅴ

加大水位輸水期(關(guān)閉閘門時(shí)),渡槽內(nèi)為加大輸水位 (水深2.65m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、人群荷載、風(fēng)荷載、靜水壓力以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況須注意,閘門關(guān)閉過程中,閘門滑塊對(duì)閘墩有向下的摩擦力,計(jì)算上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩時(shí),須考慮到啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響。

2.6 特殊組合Ⅰ

最高擋水位輸水期,渡槽上部結(jié)構(gòu) (機(jī)架橋、機(jī)房等)均已安裝到位,渡槽內(nèi)為最高擋水位 (水深4.1m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、人群荷載、風(fēng)荷載、靜水壓力以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.7 特殊組合Ⅱ

最高擋水位輸水期,渡槽上部結(jié)構(gòu) (機(jī)架橋、機(jī)房等)尚未安裝,渡槽內(nèi)為最高擋水位 (水深4.1m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、靜水壓力以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.8 特殊組合Ⅲ

設(shè)計(jì)水位輸水期加遇設(shè)計(jì)烈度為7度的地震荷載,渡槽內(nèi)為設(shè)計(jì)輸水位 (水深2.47m)?？紤]荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水自重、靜水壓力、風(fēng)荷載、地震荷載以及上部結(jié)構(gòu)通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 渡槽下部框架結(jié)構(gòu)

渡槽下部框架結(jié)構(gòu)為多次超靜定結(jié)構(gòu),其內(nèi)力計(jì)算以常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法不易求解,本次計(jì)算利用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所開發(fā)的 “水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng) V5.6”,采用有限元技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)地分析 (特殊組合Ⅰ的荷載簡(jiǎn)圖與內(nèi)力圖略)。

3.2 框架結(jié)構(gòu)各桿件控制截面的內(nèi)力計(jì)算

框架結(jié)構(gòu)各桿件控制截面的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下表所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

王堤口渡槽同時(shí)承擔(dān)著引黃灌溉、引黃濟(jì)津和引黃濟(jì)淀等任務(wù),在不同的輸水時(shí)段,渡槽的水位、流量均差異較大,運(yùn)行工況十分復(fù)雜。渡槽下部框架結(jié)構(gòu)是槽身主要的承重部分,其內(nèi)力計(jì)算是整個(gè)渡槽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),必須經(jīng)過慎密細(xì)致地分析和計(jì)算,以確保整個(gè)渡槽結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

王堤口渡槽工程于2010年底順利通過專家組竣工驗(yàn)收,目前已經(jīng)運(yùn)行近四個(gè)月,觀測(cè)資料顯示,渡槽運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均正常,未發(fā)現(xiàn)任何安全隱患。事實(shí)證明,渡槽下部框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果是合理可靠的。

因個(gè)人水平所限,文中數(shù)據(jù)的分析及計(jì)算疏漏之處在所難免,請(qǐng)各位專家提出寶貴意見,以利于共同學(xué)習(xí)和提高。