整體式閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

鐘華林，鄒永超，湯建宏

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019；2.江蘇省港口綠色技術(shù)集成工程中心，江蘇 南京 210019；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北 武漢 430063；4.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100007)

整體式閘室是船閘工程中常用的一種結(jié)構(gòu)形式，具有剛度大、不透水的特點(diǎn)，適用于水頭較大、地基不好的情況。研究表明：當(dāng)閘室的高寬比較小時(shí)，閘墻水平位移較小，底板負(fù)彎矩大于正彎矩，底板厚度由負(fù)彎矩決定；當(dāng)閘室高寬比較大時(shí)，閘墻水平位移較大，底板正彎矩大于負(fù)彎矩，底板厚度由正彎矩決定。

席榮等[1]首次提出了帶卸荷板整體式閘室結(jié)構(gòu)，研究了卸荷板高程、寬度及厚度對閘墻彎矩及水平位移的影響。為理清大高寬比整體式閘室結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、改善底板受力狀態(tài)、減小閘墻彎矩和水平位移，本文進(jìn)一步研究了帶卸荷板閘室的卸荷板寬度對底板彎矩和閘墻位移的影響；同時(shí)提出了帶踵板的整體式閘室結(jié)構(gòu)，研究了踵板寬度對底板彎矩和閘墻位移的影響；從減小閘墻位移、改善底板受力等角度提出了整體式閘室優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，以期得到受力更優(yōu)、投資更省的整體式閘室結(jié)構(gòu)。

1 概述

某船閘有效尺度為240 m×23 m×5.2 m，設(shè)計(jì)水位見表1。閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，閘頂高程28.4 m、底板底高程8.91 m、閘室高度19.49 m，見圖1?，F(xiàn)場鉆探揭示，工程區(qū)土層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土等。底板座落于粉質(zhì)黏土夾粉土層，土質(zhì)較好。

表1 設(shè)計(jì)水位

圖1 閘室結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

2 有限元數(shù)值分析模型

2.1 閘室結(jié)構(gòu)及土體模型

2.1.1閘室結(jié)構(gòu)模型

采用有限元軟件計(jì)算閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力。閘室底寬30.0 m，地基寬度按4倍結(jié)構(gòu)寬度取120.0 m，地基深度按2倍結(jié)構(gòu)寬度取60.0 m[2]。

閘室結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土采用三維實(shí)體單元C3D8R模擬，本構(gòu)模型采用線彈性模型，彈性模量E=28.0 GPa，泊松比ν=0.167。

2.1.2土體本構(gòu)模型

土體采用三維實(shí)體單元C3D8R模擬，本構(gòu)模型采用彈塑性模型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型。為簡化計(jì)算，對土層參數(shù)進(jìn)行歸并，地基土和回填土參數(shù)見表2。閘室及土體有限元模型見圖2。

表2 土體本構(gòu)模型參數(shù)

圖2 閘室及土體有限元模型

2.2 地應(yīng)力平衡

為了得到有初始應(yīng)力無初始應(yīng)變的地基模型，需要進(jìn)行地應(yīng)力平衡。在靜力分析步前添加地應(yīng)力分析步，對地基施加重力荷載進(jìn)行地應(yīng)力平衡。平衡后地基變形小于10 μm，滿足工程精度要求。

2.3 接觸設(shè)置

底板與地基、閘墻與回填土之間均存在接觸。在各接觸面之間設(shè)置接觸對，切向設(shè)置摩擦，摩擦系數(shù)取0.35；法向設(shè)置硬接觸，允許接觸后分離。

2.4 回填土模擬

采用單元“生”和“死”模擬回填土[3]。在進(jìn)行地應(yīng)力平衡前，“殺死”回填土單元和閘室單元，完成地應(yīng)力平衡后，再“激活”被殺死單元，建立接觸、施加荷載進(jìn)行計(jì)算。

3 整體式閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般情況下，檢修和完建工況為整體式閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制工況[4]，本文選這兩個(gè)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.1.1底板內(nèi)力分析

取閘室高度14.49～19.49 m進(jìn)行計(jì)算。圖3為閘室結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖，圖4為底板跨中和邊墩根部彎矩隨閘室高度變化曲線，圖5為不同閘室高度底板彎矩分布。底板彎矩以向閘室內(nèi)部彎出為負(fù)、向外彎出為正。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)閘室結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力云圖

圖4 不同閘室高度底板彎矩

圖5 不同閘室高度底板彎矩分布

由圖4可知，底板跨中負(fù)彎矩值隨閘室高度增加而減小；底板邊墩根部正彎矩值隨閘室高度增加而增大。墻后土壓力、水壓力產(chǎn)生底板正彎矩，作用力與高度為平方關(guān)系；閘墻自重、墻后填土邊載及揚(yáng)壓力產(chǎn)生底板負(fù)彎矩，作用力與高度為線性關(guān)系。當(dāng)閘室高度增加時(shí)，正彎矩作用效應(yīng)權(quán)重增加，負(fù)彎矩作用效應(yīng)權(quán)重減小。因此，隨著閘室高度增加，底板負(fù)彎矩值減小、正彎矩值增大。

由表3可知，閘室高寬比小于0.516時(shí)，底板負(fù)彎矩值大于正彎矩值；高寬比大于0.516時(shí)，底板正彎矩值大于負(fù)彎矩值；高寬比越大，底板正、負(fù)彎矩均衡性越差，變化趨勢見圖5。當(dāng)高寬比大于0.516時(shí)，底板厚度由正彎矩決定。由于底板頂面需按最小配筋率配筋，當(dāng)高寬比大到一定程度，底板跨中負(fù)彎矩將小于按最小配筋率得到的抗彎承載能力，配筋浪費(fèi)。當(dāng)高寬比大于0.516時(shí)，有必要對閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使底板正、負(fù)彎矩更均衡，投資更省。

表3 標(biāo)準(zhǔn)閘室不同閘墻高度的底板彎矩

3.1.2閘墻內(nèi)力及位移分析

表4為不同閘室高度閘墻與底板倒角處閘墻彎矩、閘墻頂部水平位移。閘墻彎矩以向閘室內(nèi)部彎出為正、向外彎出為負(fù)；閘墻水平位移以向閘室內(nèi)部變形為正、向外變形為負(fù)。由表4可知，閘墻彎矩值及位移值均隨閘室高度增加而增大。

表4 不同閘室高度閘墻彎矩及位移

3.2 帶踵板閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.2.1底板內(nèi)力

為改善底板受力狀態(tài)、減小閘墻彎矩和位移，在標(biāo)準(zhǔn)閘室墻后增加踵板。取閘室高度19.49 m、踵板寬度0.5～3.0 m。圖6為帶踵板閘室結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖，圖7為底板跨中和邊墩根部彎矩隨踵板寬度變化曲線。

圖6 帶踵板閘室結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖

由圖7可知，底板跨中負(fù)彎矩值隨踵板寬度增加而增大，邊墩根部正彎矩值隨踵板寬度增加而減小。這是因?yàn)轷喟鍖挾仍酱螅鄳?yīng)重力越大、產(chǎn)生負(fù)彎矩的作用效應(yīng)也越大。

圖7 不同踵板寬度底板彎矩

3.2.2閘墻內(nèi)力及位移

表5為不同踵板寬度時(shí)閘墻與底板倒角處的閘墻彎矩、閘墻頂部水平位移。由表5可知，閘墻彎矩值隨踵板寬度增加而減??；檢修工況位移值隨踵板寬度增加而減小，踵板寬度大于2 m后，位移反向，位移值隨踵板寬度增加而加大；完建工況位移值隨踵板寬度增加而減小。

表5 不同踵板寬度閘墻彎矩及位移

3.3 帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.3.1底板內(nèi)力

為改善底板受力狀態(tài)、減小閘墻彎矩和位移，在標(biāo)準(zhǔn)閘室墻后增加卸荷板。取閘室高度19.49 m、卸荷板高程19.41 m、卸荷板寬度0.5～3.0 m。圖8為帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖，圖9為底板跨中和邊墩根部彎矩隨卸荷板寬度變化曲線。

圖8 帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖

圖9 不同卸荷板寬度底板彎矩

由圖9可知，底板跨中負(fù)彎矩值隨卸荷板寬度增加而增大，邊墩根部正彎矩值隨卸荷板寬度增加而減小。這是由于卸荷板寬度越大，上部填土重力越大、產(chǎn)生負(fù)彎矩作用效應(yīng)也越大。

3.3.2閘墻內(nèi)力及位移

表6為不同卸荷板寬度時(shí)閘墻與底板倒角處閘墻彎矩、閘墻頂部水平位移，閘墻彎矩值及位移值均隨卸荷板寬度增加而減小。

表6 不同卸荷板寬度閘墻彎矩及位移

3.4 閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

閘室高度19.49 m，標(biāo)準(zhǔn)閘室底板跨中負(fù)彎矩-991 kN·m/m，邊墩根部正彎矩7 150 kN·m/m，閘墻彎矩7 510 kN·m/m，閘墻位移19.7 mm。底板跨中負(fù)彎矩值遠(yuǎn)小于底板頂面按最小配筋率的抗彎承載能力，閘墻彎矩值及位移值均較大。為使底板受力更均衡、減小閘墻彎矩和位移、減小工程量、節(jié)約投資，根據(jù)整體式閘室結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.4.1帶踵板閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

表7為踵板寬度為0～3.0 m時(shí)底板彎矩及底板厚度由3.0 m減小到2.4 m時(shí)底板彎矩。踵板寬1.0 m時(shí)，每延米節(jié)約混凝土11.7 m3/m、底板增加鋼筋0.45 t/m、踵板增加鋼筋0.22 t/m、土方開挖及回填增加116 m3/m。經(jīng)測算，每延米可減少工程費(fèi)用3 600元，占閘室每延米工程費(fèi)用的1.5%。

表7 帶踵板閘室不同板寬的底板彎矩

底板厚度由3.0 m減小到2.4 m、踵板寬1.0 m時(shí)，完建工況的閘墻彎矩由標(biāo)準(zhǔn)閘室的7 510 kN·m/m減小為7 200 kN·m/m、位移由19.7 mm減小為15.7 mm；檢修工況的閘墻彎矩為5 990 kN·m/m、閘墻位移3.1 mm。

綜上，墻后增加踵板，底板負(fù)彎矩值增大、正彎矩值減小，閘墻彎矩和位移均減小，底板厚度減小，投資更省。但增設(shè)踵板會(huì)加大基坑開挖面，在開挖受限的情況下不具備實(shí)施條件。

3.4.2帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

表8為卸荷板高程取19.41 m、寬度0～3.0 m時(shí)底板彎矩及底板厚度由3.0 m減小到2.4m時(shí)底板彎矩。卸荷板寬1.5 m時(shí)，每延米節(jié)約混凝土15.87 m3/m、底板增加鋼筋0.24 t/m、卸荷板鋼筋增加0.47 t/m。經(jīng)測算，每延米可減少工程費(fèi)用7 700元，占閘室每延米工程費(fèi)用3.2%。

表8 帶卸荷板閘室不同板寬的底板彎矩

底板厚度由3.0 m減小到2.4 m、卸荷板寬1.5 m時(shí)，閘墻彎矩由標(biāo)準(zhǔn)閘室的7 510 kN·m/m減小為5 880 kN·m/m、位移由19.7 mm減小為7.6 mm；檢修工況的閘墻彎矩為5 495 kN·m/m、閘墻位移3.4 mm。

綜上，墻后增加卸荷板，底板負(fù)彎矩增大、正彎矩減小，閘墻彎矩和位移均減小，底板厚度減小，投資更省。但增設(shè)卸荷板后，卸荷板以下回填土無法壓實(shí)，閘墻需分多次澆筑；墻后排水管布設(shè)不方便。卸荷板的設(shè)置須結(jié)合內(nèi)力分析和回填要求確定，設(shè)計(jì)及施工均較為繁瑣。

4 結(jié)語

1)當(dāng)閘室高度較大時(shí)，整體式標(biāo)準(zhǔn)閘室結(jié)構(gòu)底板跨中負(fù)彎矩值遠(yuǎn)小于邊墩根部正彎矩值，閘墻彎矩及水平位移均較大，底板受力不均衡，底板跨中彎矩遠(yuǎn)小于按最小配筋率的抗彎承載能力，配筋浪費(fèi)。

2)采用帶踵板閘室結(jié)構(gòu)可以增大底板跨中負(fù)彎矩值、減小邊墩根部正彎矩值，減小閘墻彎矩和位移；通過優(yōu)化踵板寬度，可以得到底板受力更均衡、閘墻變形更小、投資更省的結(jié)構(gòu)；但在開挖受限的情況下不具備實(shí)施條件。

3)采用帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)，可以增大底板跨中負(fù)彎矩值、減小邊墩根部正彎矩值，減小閘墻彎矩和位移。通過優(yōu)化卸荷板寬度，可以得到底板受力更均衡、閘墻變形更小、投資更省的結(jié)構(gòu)；但卸荷板以下回填土無法壓實(shí)，混凝土需分多次澆注，設(shè)計(jì)及施工均較為繁瑣。

4)當(dāng)閘室高度較大時(shí)，采用帶卸荷板閘室結(jié)構(gòu)相較于帶踵板閘室結(jié)構(gòu)，對位移減小的作用更大。

5)閘室內(nèi)力是多因素綜合作用的結(jié)果，本文所得高寬比臨界點(diǎn)、踵板及卸荷板最佳寬度等均是基于本工程閘室尺度、地基及回填土參數(shù)、墻后水位等得出的結(jié)論，不具有普適性，具體問題應(yīng)具體分析。