弧門支承梁結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計改進(jìn)

余登攀

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院水利三所 山西太原 030024）

0 引言

弧形閘門在方案選擇中是優(yōu)先考慮的門型之一。由于作用在弧形閘門面板上的全部水壓力通過形心，故啟門時只需克服閘門自重以及止水和鉸軸的摩阻力，因而具有啟閉力小，運轉(zhuǎn)可靠等優(yōu)點。以前弧形閘門的支承方式采用最多的是牛腿，而牛腿是一種懸臂結(jié)構(gòu)，受力條件相對較差。

近年來，省內(nèi)外很多水庫的深孔弧形閘門采用了支承梁，不過均作為簡支梁設(shè)計，且采用澆筑二期混凝土的方式成型；雖然采用了厚閘墩，卻未能發(fā)揮其結(jié)構(gòu)抗力，似有必要予以改進(jìn)。在烏河水庫泄洪沖沙底孔弧門支承梁設(shè)計中，我們首次將支承梁與兩側(cè)閘墩視為整體，通過三維分析方法計算支承梁、閘墩各自內(nèi)力，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。本文就此進(jìn)行探討。

1 工程基本資料

烏河水庫大壩為堆石混凝土重力壩，壩頂高程792.0 m，最大壩高59.5 m。泄洪沖沙底孔布置在左岸的6號壩段，為淹沒深孔式，孔底高程為756.40 m，最大泄量361 m3/s。泄流孔為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)口閘門孔口尺寸4 m×5 m（寬×高），布置平板檢修閘門；出口1∶6壓坡段末端高度由5.0 m漸變?yōu)?.0 m，出口處孔口尺寸4 m×4 m（寬×高），布置弧形鋼閘門一道。烏河水庫弧門支承梁的截面尺寸為寬b=1.2 m，高h(yuǎn)=2 m。梁凈長L=4.0 m，兩端閘墩厚各1.5 m。梁與兩側(cè)閘室邊墩整體澆筑。支承梁由鋼梁和鋼筋混凝土部分組合而成，見圖1。鋼梁由四塊鋼板構(gòu)成“Ⅱ”形，兩腹板延伸至閘墩內(nèi)，間隔布置隔板和端板。鋼梁高600 mm，寬900 mm，翼緣板與腹板的厚度均為16 mm，隔板與端板厚12 mm。

圖1 弧門支承梁結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)分析與計算

根據(jù)規(guī)范（SL191-2008），烏河水庫弧門支承梁的計算跨度可取支座中心線之間的距離和1.1倍凈跨兩者中的較小值，為4.4 m，梁高2 m，跨高比2.2＜5，屬深受彎構(gòu)件。烏河水庫校核洪水位791.45 m，經(jīng)計算，作用在支承梁上的荷載有：（1）門推力P=2×3 330 kN，支鉸推力F=3 330 kN；（2）平行于支鉸底板的分力S=2×400 kN；（3）側(cè)推力H=2×40 kN；（4）梁自重（ 與閘門推力作用方向成67°37′38″角）γ=25.9 kN/m3（加權(quán)）。支承梁采用C40混凝土，彈性模量Ec=3.25×104N/mm2，泊松比υc=0.167。通過鋼梁的應(yīng)力擴(kuò)散作用將支座荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載。

本工程閘墩厚度為1.5 m，作為支承梁的支座具有較大的剛度，將產(chǎn)生明顯的約束作用，因此僅將支承梁當(dāng)作簡支結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但不能體現(xiàn)支座的約束作用，而且在梁的變形極其微小的情況下，按簡支計算的巨量跨中受力鋼筋也難以發(fā)揮作用；而梁斷面內(nèi)的水平和豎向分布鋼筋不足，又容易產(chǎn)生構(gòu)造缺陷。當(dāng)然，閘墩的結(jié)構(gòu)尺寸也還沒有大到對梁形成固端條件的程度。因此，對支承梁的結(jié)構(gòu)分析，按簡支和固端都不夠合理，而應(yīng)視之為剛架。

剛架的結(jié)構(gòu)是將閘墩視為固結(jié)于支座的豎直桿件，同梁剛結(jié)形成“∏”形。但此假定的難點在于如何選定豎桿的結(jié)構(gòu)尺寸。為此有以下兩種考慮：

（1）較為保守的是剛架梁、柱為等剛度，即梁按設(shè)計尺寸，剛架柱寬取2倍梁寬，截面高為閘墩厚；（2）剛架柱按變剛度考慮，在結(jié)點即梁中線處為2倍梁寬，此后按α角擴(kuò)散角擴(kuò)展，在按剛架柱高度Hi計算時，取該高度范圍內(nèi)的剛架柱平均寬，=2b+tanαHi，見圖2。通過采用不同的擴(kuò)散角α角度，求得反映閘墩不同約束強(qiáng)度的內(nèi)力分布規(guī)律。

圖2 剛架柱結(jié)構(gòu)示意圖

變截面柱剛架計算共考慮了擴(kuò)散角為30°、45°和60°三種情況。包括等截面柱剛架在內(nèi)，共4種工況，采用SAP84計算軟件計算了剛架節(jié)點（支座）和梁跨中彎矩，結(jié)果見表1。

表1 剛架內(nèi)力計算成果表（采用SAP84軟件）

從表1數(shù)據(jù)可以看出，擴(kuò)散角愈大支座約束作用愈強(qiáng)，而且同剛架柱高度Hi值關(guān)系不大。而等截面剛架則不然，剛架柱高度Hi變大時，跨中彎矩增大較為明顯。

又經(jīng)使用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算，其支座彎矩（絕對值）同跨中彎矩之比為35∶65。該數(shù)值同表1中0°擴(kuò)散角、剛架柱高度Hi=4.0h一欄數(shù)值相當(dāng)。通過上述兩種方法的分析，可以說基本找到了剛架結(jié)構(gòu)梁、柱內(nèi)力分布的最不利條件。工程設(shè)計本著偏于安全的原則，確定支座彎矩－2 605 kN·m和跨中彎矩3 370 kN·m作為計算值。不同假定條件下剛架彎矩圖見圖3。

圖3 不同假定條件剛架彎矩圖

3 配筋計算與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

（1）配筋計算

①根據(jù)上述分析結(jié)果，按跨中彎矩M中=3 370 kN·m，計算結(jié)果需配筋面積As=5 835 mm2。

②支座配筋復(fù)核

按支座負(fù)彎矩M支=－2 605kN·m計算結(jié)果需配筋面積As=6 046.6 mm2。由于鋼梁腹板深入閘墩內(nèi)，且其分布范圍符合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》SL191-2008中關(guān)于深受彎構(gòu)件中支座受拉鋼筋配置要求，故應(yīng)考慮鋼梁腹板的作用。兩塊16 Mn鋼腹板面積As1=2×16×568=19 176 mm2遠(yuǎn)大于計算配筋量，故只需配置構(gòu)造鋼筋即可。

③閘墩扇形筋配筋

閘墩扇形筋配筋分別按剛架節(jié)點即支座負(fù)彎矩和SL191-2008規(guī)范要求的局部受拉區(qū)兩種情況計算。

按剛架節(jié)點配筋計算配筋面積為As=6 131.0 mm2；按閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積計算公式（閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時），計算局部受拉區(qū)受拉鋼筋面積As總為13 577.6 mm2。因此，閘墩局部受拉鋼筋遠(yuǎn)大于按剛架節(jié)點配筋，因此不需要額外配筋。

（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)造

深入閘墩內(nèi)的鋼梁腹板上有隔板和端板，可以起到充分的錨固作用。均勻分布的隔板和端板還為梁內(nèi)箍筋提供了焊接支座，使組合梁的整體性得到了加強(qiáng)，也使梁內(nèi)受拉筋得以固定，同時滿足了深受彎構(gòu)件對于水平和豎向分布鋼筋最小配筋率的要求。

另外，在鋼梁端板內(nèi)側(cè)，還布置一層網(wǎng)狀筋，同閘墩外層筋綁扎在一起，也對端板、進(jìn)而對腹板的錨固起到了很好作用。

4 結(jié)束語

（1）弧門支承梁同閘墩的體型差異較大，本文按變剛度假定分析進(jìn)而求得最不利內(nèi)力分配僅是一種近似方法，尚待進(jìn)一步改進(jìn)。但比之簡支梁假定較為合理，結(jié)構(gòu)安全且較為經(jīng)濟(jì)。

（2）弧門支承梁斷面尺寸較大，整體剛度強(qiáng)，變形極其微小。因此，按照規(guī)范規(guī)定滿足其構(gòu)造要求極其重要。鋼梁腹板伸入支座并配置隔板和端板，能可靠發(fā)揮錨固作用。足夠數(shù)量的箍筋和拉筋對保證支承梁的整體性很有必要。

（3）弧門支承梁的設(shè)計改進(jìn)，施工方法很重要。將弧門支承梁與閘墩整體澆筑，可以克服因施工程序要求而將主要結(jié)構(gòu)鋼筋人為切斷后再補(bǔ)強(qiáng)的問題，有利于提高結(jié)構(gòu)整體性。施工時，須將鋼梁、鋼筋籠先行就位，并配置可調(diào)節(jié)的臨時支撐。待兩側(cè)閘墩澆至弧門支承梁底高程時，對弧門支承梁的位置進(jìn)行精確校準(zhǔn)再行澆筑。