某水電站泄洪沖沙孔弧形閘門閘墩配筋計(jì)算分析

張小剛 張欄馨 陳 衍

某水電站泄洪沖沙孔弧形閘門閘墩配筋計(jì)算分析

張小剛 張欄馨 陳 衍

現(xiàn)階段水電站泄洪沖沙底孔弧形閘門支撐梁型式的預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩配筋時(shí)無直接的規(guī)范章節(jié)對(duì)應(yīng)計(jì)算，近些年設(shè)計(jì)過程中大多將支撐梁簡(jiǎn)化為DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》13.11節(jié)中的支座型式。DL/T 5057—2009發(fā)布之前，也有部分工程按常規(guī)的大偏心受拉公式或DL/T 5057—2009中13.10節(jié)的力矩平衡公式計(jì)算。闡述了支撐梁型式的閘墩設(shè)計(jì)中碰到的三種配筋方式：力矩平衡公式、簡(jiǎn)化支座公式、大偏心受拉公式。結(jié)合某工程實(shí)例對(duì)比分析三種計(jì)算方法的特點(diǎn)。計(jì)算表明：力矩平衡公式計(jì)算粗糙，計(jì)算成果偏大；簡(jiǎn)化支座公式將支撐梁簡(jiǎn)化為支座受力形式，可直接參考現(xiàn)有的規(guī)范，可操作性強(qiáng)；大偏心受拉公式實(shí)際為新規(guī)范13.11節(jié)簡(jiǎn)化支座公式的原型，計(jì)算需建立在經(jīng)驗(yàn)和深入分析公式意義上進(jìn)行，但計(jì)算結(jié)論與簡(jiǎn)化支座公式基本一致。

預(yù)應(yīng)力混凝土 弧形閘門 支撐梁 閘墩配筋

高水頭大壩泄洪放空底孔弧形閘門閘墩需承受閘門傳遞的巨大推力，閘墩部位的配筋一直是設(shè)計(jì)過程中比較重視的環(huán)節(jié)。為了使巨大弧門推力更好地傳導(dǎo)至閘墩上，往往泄洪放空底孔部位采用支撐梁型式的傳遞結(jié)構(gòu)。支撐梁型式如圖1和圖2。

DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范(簡(jiǎn)稱新規(guī)范)中專門指導(dǎo)弧形閘門閘墩配筋的章節(jié)為13.10和13.11節(jié)，其中13.10節(jié)同DL/T 5057—1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》老規(guī)范的10.9節(jié)。新規(guī)范新增的13.11節(jié)也主要針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土支座型式的閘墩配筋[1-2]，而支撐梁型式的閘墩配筋無直接的規(guī)范章節(jié)對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)過程中一般將其簡(jiǎn)化為13.11節(jié)中對(duì)應(yīng)的弧形閘門支座型式計(jì)算。

因DL/T 5057—1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》版本中無“弧形閘門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩(新規(guī)范13.11節(jié))”一節(jié)[1]。在新規(guī)范2009版以前，針對(duì)支撐梁型式的閘墩配筋，工程實(shí)踐中一般按力矩平衡公式或常規(guī)的大偏心受拉公式計(jì)算，這兩種計(jì)算方法在現(xiàn)階段某些工程設(shè)計(jì)中仍有應(yīng)用。

本文將以上提到的3種計(jì)算方法歸納為：(1)新規(guī)范13.10節(jié)對(duì)應(yīng)的主要公式，簡(jiǎn)稱力矩平衡公式；(2)新規(guī)范13.11節(jié)對(duì)應(yīng)的主要公式，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)化支座公式；(3)新規(guī)范11.4節(jié)對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力大偏心受拉公式[4]。

以下結(jié)合具體的工程實(shí)例，針對(duì)支撐梁型式弧門閘墩配筋計(jì)算的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)中遇見的3種計(jì)算方法分別進(jìn)行驗(yàn)算，在基本輸入?yún)?shù)均一致的前提下，比較預(yù)應(yīng)力閘墩配筋計(jì)算所得的錨索根數(shù)，并分析各計(jì)算方法的特點(diǎn)，以期對(duì)工程設(shè)計(jì)有所參考[3]。

1 計(jì)算參數(shù)及條件

1.1 計(jì)算參數(shù)

為了使計(jì)算結(jié)果具有可比性，計(jì)算涉及的輸入?yún)?shù)均相同。主要參數(shù)見表1。其他統(tǒng)一參數(shù)如下，公式中的預(yù)應(yīng)力筋類型統(tǒng)一選用450 t級(jí)無黏結(jié)型錨索[5]，單根預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)值為Fm1=4.5×106N[6]；閘墩部位扇形鋼筋均選用Φ36 mm的三級(jí)鋼筋，布置雙排Φ36 mm(單排29根)，擴(kuò)散角為1.5°[7]；鋼筋及混凝土的力學(xué)參數(shù)按新規(guī)范第6章對(duì)應(yīng)表統(tǒng)一選取。

根據(jù)工程級(jí)別及弧門運(yùn)行條件，作用系數(shù)取值如下：永久作用分項(xiàng)系數(shù)γQ=1.05 ，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)φ=1.0，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2。

表1 支撐大梁的截面特性及主要參數(shù)表

1.2 基本計(jì)算條件

計(jì)算前提條件：(1)選擇泄洪放空底孔支撐梁閘墩的邊墩進(jìn)行配筋，邊墩按預(yù)應(yīng)力閘墩分析；(2)限于篇幅，文中計(jì)算只羅列了核心計(jì)算公式，其他計(jì)算過程未詳列；(3)三種計(jì)算均在相同計(jì)算參數(shù)和配置相同數(shù)量的非預(yù)應(yīng)力扇形鋼筋的情況下進(jìn)行；(4)文中省略弧門支座寬度b，支座高度h的取值計(jì)算過程，均按相同斷面計(jì)算，支撐梁設(shè)計(jì)斷面尺寸如圖1和圖2。

圖1 支撐大梁剖面圖(單位：mm)

圖2 支撐大梁1-1剖面(單位：mm)

2 力矩平衡公式計(jì)算

2.1 計(jì)算基本公式

根據(jù)規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.10節(jié)，閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)，應(yīng)滿足公式(1)。

(1)

式中，F(xiàn)為閘墩一側(cè)弧門支座推力的設(shè)計(jì)值；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；fy為局部受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；B'0為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離；as為縱向鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊緣的距離；θi為第i根局部受拉鋼筋與弧門推力方向的夾角。

2.2 配筋基本原理

根據(jù)公式(1)右側(cè)的計(jì)算式，分別計(jì)算非預(yù)應(yīng)力扇形鋼筋和預(yù)應(yīng)力錨索的最大承載拉力，二者的承載合力大于支座推力設(shè)計(jì)值F即滿足計(jì)算要求。

2.2.1 非預(yù)應(yīng)力扇形鋼筋承擔(dān)的拉力計(jì)算

(2)

根據(jù)式(1)右側(cè)式計(jì)算扇形鋼筋承受的拉力合力為：Ff=Ff1+Ff2。其中Ff1為外側(cè)排鋼筋拉力值，F(xiàn)f2為內(nèi)側(cè)排鋼筋拉力值。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力錨索承擔(dān)的拉力計(jì)算

本工程選用450 t級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索，單根錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為Fm1=4.5×106N。錨索按平行弧門主推力方向布置。依據(jù)式(1)右側(cè)計(jì)算式，錨索所承擔(dān)的合力計(jì)算式為：

(3)

式中，n為錨索布置根數(shù)，F(xiàn)ms為錨索合力。

2.3 配筋成果

當(dāng)扇形鋼筋布置雙排Φ36 mm(單排29根)時(shí)，根據(jù)公式(1)，按扇形鋼筋和錨索承擔(dān)的合力大于支座推力控制，力矩平衡公式(1)需配置450 t級(jí)錨索15根。

表2 力矩平衡公式配筋成果表

3 簡(jiǎn)化支座公式計(jì)算

3.1 主要配筋公式

支撐大梁簡(jiǎn)化方式為：假定支撐大梁從中間截面斷開，將其簡(jiǎn)化為懸臂梁型式，懸臂梁在單側(cè)弧門推力設(shè)計(jì)值的作用下，按規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.11節(jié)相應(yīng)公式配筋計(jì)算。

(4)

(5)

式中，B0為頸部截面有效高度，即受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受壓邊緣的距離；e為弧門推力作用點(diǎn)至受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)之間的距離；其他字符含義參考規(guī)范(DL/T 5057—2009)第183頁。

根據(jù)式(4)、(5)計(jì)算得配筋成果表3。

表3 簡(jiǎn)化支座公式配筋成果表

3.2 其他驗(yàn)算

通過規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.11節(jié)計(jì)算的配筋量，同時(shí)需要滿足閘墩頸部抗裂控制的規(guī)定，也要滿足規(guī)范規(guī)定的其他構(gòu)造要求，經(jīng)驗(yàn)算均滿足要求。本文不再詳述。

4 大偏心受拉公式計(jì)算

4.1 主要配筋公式

因規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.11節(jié)適用支座形式的預(yù)應(yīng)力閘墩配筋，針對(duì)支撐梁結(jié)構(gòu)形式，本節(jié)簡(jiǎn)化為大偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力閘墩配筋，簡(jiǎn)化方式同4.1節(jié)所述。 根據(jù)規(guī)范(DL/T 5057—2009)11.4節(jié)矩形截面大偏心受拉構(gòu)件承載力計(jì)算公式(6)、(7)。

(6)

(7)

式中，h0為截面有效高度；e為弧門推力作用點(diǎn)至受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)之間的距離。

仔細(xì)分析公式(6)、(7)，公式表達(dá)內(nèi)容與公式(4)、(5)基本一致，因此，經(jīng)代入?yún)?shù)計(jì)算，配筋計(jì)算結(jié)果是一致的(見表4)。

表4 大偏心受拉構(gòu)件計(jì)算配筋成果表

4.2 其他驗(yàn)算

以上計(jì)算成果同時(shí)也需要滿足規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.6節(jié)抗裂驗(yàn)算及13.7節(jié)裂縫寬度計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算，該成果均能滿足規(guī)范要求。本文不再詳述。

5 結(jié) 語

相對(duì)于(DL/T 5057—1996)版規(guī)范，(DL/T 5057—2009)新增了13.11節(jié)，明確了弧形閘門支座預(yù)應(yīng)力閘墩配筋方法，但沒明確是否適用支撐梁形式。本文分別根據(jù)2009版新規(guī)范的13.10節(jié)和13.11節(jié)兩種方法進(jìn)行配筋計(jì)算。計(jì)算成果見表5。

(1)三種配筋方式中，按新規(guī)范13.10節(jié)力矩平衡公式計(jì)算出的錨索配置量最多，約多出其他兩種方法約1/3的錨索量。

表5 三種配筋計(jì)算方法配筋量成果對(duì)比表

(2)根據(jù)規(guī)范(DL/T 5057—2009)13.11節(jié)弧形閘門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩計(jì)算公式計(jì)算的成果比規(guī)范中11.4節(jié)大偏心受拉構(gòu)件計(jì)算的成果基本一致。13.11節(jié)公式(4)、(5)進(jìn)行了有針對(duì)性的細(xì)化：一是根據(jù)閘墩鋼筋的布置型式一般是扇形的特點(diǎn)，對(duì)鋼筋面積的計(jì)算方法進(jìn)行了細(xì)化；二是更加明確了公式相關(guān)參數(shù)的取值方式。如公式中B0明確是指受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點(diǎn)至受壓邊緣的距離。有利于閘墩設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取值方便，不致產(chǎn)生歧義。另外，13.11節(jié)明確了抗裂驗(yàn)算的公式及計(jì)算方法，相比11.4節(jié)計(jì)算后還需按13.6節(jié)及13.7節(jié)進(jìn)行繁瑣的抗裂驗(yàn)算更為方便。

(3)三種計(jì)算方法中，新規(guī)范13.10節(jié)力矩平衡公式計(jì)算過程最粗糙，與實(shí)際配筋結(jié)果偏差較大，不推薦在設(shè)計(jì)過程中作為最終配筋成果采用。充分理解了公式(4)、(5)和公式(6)、(7)的具體含義后，兩種計(jì)算方法的差異不大，但13.11節(jié)的公式可操作性更強(qiáng)，抗裂驗(yàn)算方法更明確。

(4)現(xiàn)階段支撐梁型式的閘墩配筋需簡(jiǎn)化后按13.11節(jié)公式計(jì)算，這種簡(jiǎn)化因忽略了支撐梁自身的剛度，按13.11節(jié)計(jì)算的預(yù)應(yīng)力配筋整體應(yīng)是偏安全的。

(5)限于篇幅，本文只選取了主要公式說明，未進(jìn)一步對(duì)規(guī)范要求的抗裂驗(yàn)算內(nèi)容細(xì)化分析，實(shí)際工程配筋過程中要充分重視這部分的計(jì)算[7-8]。

[1] DL/T 5057—1996 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] DL/T 5057—2009 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 鈕新強(qiáng)，汪基偉，章定國(guó).水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[4] 陳毅峰，雷聲軍.預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的思考[J].水力發(fā)電，2014(3): 31-33.

[5] 張友科;傅倩.有黏結(jié)和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].西北水電，2007(4): 30-33.

[6] DL/T 5176—2003 水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 陳強(qiáng)，黃欣，廖桂英.預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)問題的調(diào)研與探討[J].水電站設(shè)計(jì)，2014(9): 16-20.

[8] 周?；郏垶┧娬颈砜最A(yù)應(yīng)力閘墩初步設(shè)計(jì)[J]．紅水河，2003(3): 1-5．

TV332

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1007-6980(2017)02-0006-04

2017-03-22)

張小剛 男 工程師 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南昆明 650051

張欄馨 女 助理工程師 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 云南昆明 650500

陳 衍 男 高級(jí)工程師 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南昆明 650051