閘墩牛腿梁結(jié)構(gòu)簡化計算

閆丹青，張 銳

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原 030024；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 閘墩牛腿梁結(jié)構(gòu)簡述

牛腿梁位于弧形閘門出口閘室的閘墩上，是閘墩結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，其迎水側(cè)預(yù)埋鋼板支鉸大梁，與弧形閘門支臂相連。當(dāng)閘門關(guān)閉時，其所承受的水壓力經(jīng)鋼板支鉸大梁傳遞到牛腿梁上，再通過閘墩扇形鋼筋把集中力分散傳遞到閘墩的上游部分。

由于牛腿梁、閘墩與壩體相互作用，受力情況比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)計算過程中往往進行簡化，下面以守口堡水庫泄洪沖沙底孔牛腿梁為例，對閘墩牛腿梁結(jié)構(gòu)的簡化計算予以論述。

2 牛腿梁結(jié)構(gòu)布置

守口堡水庫樞紐大壩為膠凝砂礫石壩，壩頂相對高程43.6 m，最大壩高61.6 m。溢流表孔布置在河床中部，共設(shè)6孔，每孔凈寬9 m，堰頂相對高程為40 m；溢流表孔兩側(cè)各布置2孔泄洪沖沙底孔，斷面尺寸為4.0 m×4.8 m，進口底相對高程為10.0 m。底孔由進口段、洞身段和出口段組成，進口段設(shè)事故檢修閘門，出口段設(shè)弧形工作閘門。

出口閘室閘墩分為邊墩及中墩。閘墩底板相對高程為10.0 m，閘墩頂部相對高程為20.0 m，在相對高程15.5 m 處設(shè)置牛腿梁，高2.5 m，寬1.8 m，牛腿梁軸線與水平方向夾角為25.885 7o，具體布置如圖1所示。

弧形門承受的水壓力通過弧門支臂傳遞到支鉸上，為了將支鉸所承受的力均勻地傳遞到牛腿梁上，在牛腿梁前端埋設(shè)支鉸大梁，支鉸大梁寬1 300 mm，高890 mm，由16 mm厚鋼板焊接而成，采用Q235鋼材制作，支鉸大梁兩側(cè)伸入閘墩800 mm，如圖2 所示。

圖1 弧形閘門閘墩牛腿梁布置

3 結(jié)構(gòu)簡化計算

3.1 計算工況

以守口堡水庫泄洪沖砂底孔牛腿梁為例，校核洪水位時閘門開啟，由閘門承受的水壓力通過支鉸大梁傳遞至牛腿梁，此時牛腿梁處于最不利受力工況。

根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)資料，1 個支鉸受水平推力6 kN，平行于支鉸大梁推力70 kN，垂直于支鉸大梁推力3 200 kN，牛腿梁受力如圖3 所示。

根據(jù)體型布置情況可知，牛腿梁可簡化為兩端支撐在閘墩上的受彎構(gòu)件，在端部伴隨部分固結(jié)，綜合考慮各種因素，以保守計算為原則，將牛腿梁的受力分2種情況進行計算。

圖2 牛腿梁鋼板支鉸大梁布置

圖3 牛腿梁受力

（1）考慮固結(jié)情況。牛腿梁兩端固結(jié)于閘墩上，此時固端受拉，兩端處于不利狀態(tài)，兩端負(fù)彎矩達到最大，以此來分析固端受力情況并配置負(fù)彎矩鋼筋。

（2）不考慮固結(jié)情況。牛腿梁為簡支梁，此時跨中彎矩達到最大值，跨中處于不利狀態(tài)，以此來分析跨中受力情況并配置受拉鋼筋。

3.2 荷載及鋼筋計算

（1）情況1。牛腿梁前端設(shè)置鋼板支鉸大梁，兩端固結(jié)于閘墩上，此時固端處于最不利狀況，在不考慮閘墩參與牛腿梁的變形時，兩端的負(fù)彎矩由鋼板承擔(dān)。由于牛腿梁前端設(shè)有鋼板支鉸大梁，支鉸推力的集中荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載，受力簡圖如4所示。

圖4 情況1受力簡圖

很明顯，此時鋼板所承受的應(yīng)力與其許用應(yīng)力的關(guān)系將影響牛腿梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)彎曲正應(yīng)力的計算得到荷載設(shè)計值1 708.43 kN·m，桿端彎矩值-2 277.9 kN·m，鋼板應(yīng)力σ=130 MPa，鋼板許用應(yīng)力[σ]Q235=215 MPa。由上述結(jié)果可知，牛腿梁前部鋼板應(yīng)力滿足材料許用應(yīng)力要求，牛腿梁所承受的力在端部產(chǎn)生的負(fù)彎矩可以由鋼板支鉸大梁承擔(dān)，因此在牛腿梁上游側(cè)可不必再配置受力鋼筋。

（2）情況2。牛腿梁不完全固結(jié)于閘墩上，考慮到閘墩參與牛腿梁的應(yīng)力變形，兩端按簡支計算，此時跨中處于最不利狀況，結(jié)合牛腿梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，牛腿梁為深受彎構(gòu)件，受力簡圖如圖5所示。

圖5 情況2受力簡圖

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008），深受彎構(gòu)件正截面受彎承載力的計算結(jié)果為：荷載設(shè)計值1 478.86 kN·m，剪力值3 401.38 kN，跨中彎矩值3 911.58 kN·m。

依據(jù)深受彎構(gòu)件正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力的要求，計算鋼筋布置形式見表1。

表1 配筋形式

3.3 抗裂驗算

牛腿梁為深受彎構(gòu)件，采用C25混凝土，綜合比較上述2 種情況，第2 種情況為抗裂驗算的控制工況，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008），抗裂驗算應(yīng)符合下式規(guī)定：

式中：Mk為按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的彎矩值（N·mm）；αct為混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)，取0.85；ftk為混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2），取1.78；γm為截面抵抗矩塑性系數(shù)，取1.55；W0為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩（mm3）；y0為換算截面重心至受壓邊緣的距離（mm）；I0為換算截面對其重心軸的慣性矩（mm4）；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，即αE=Es/Ec=2.0×105/2.8×104=7.14；ρ為縱向受拉鋼筋的配筋率；h為截面高度（m）；b為截面寬度（m）；As為受拉鋼筋截面面積（mm2）；h0為截面有效高度（m）。

經(jīng)計算，得出y0＝1 266.5 mm，I0＝2.426×104mm4，W0=1.97×109mm3，Mk=3 550 kN·m，γmαctftkW0=4 619.9 kN·m，由此可知Mk＜γmαctftkW0。

4 結(jié)論

由上述計算可知，在校核洪水位情況下，閘門開啟，牛腿梁處于最不利工況，此時對于牛腿梁的結(jié)構(gòu)計算可參照上述2種情況進行簡化。結(jié)合守口堡水庫泄洪沖砂底孔牛腿梁設(shè)計可知該計算結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)要求和抗裂要求，可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。但也應(yīng)該認(rèn)識到，在荷載作用下，牛腿梁、閘墩和壩體之間相互作用，應(yīng)力分布情況比較復(fù)雜，還需作進一步的探討和研究。