(無(wú)錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無(wú)錫 214023)

無(wú)錫市張巷浜節(jié)制閘改造工程結(jié)構(gòu)計(jì)算淺析

呂曉威何建棟周建東

(無(wú)錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無(wú)錫 214023)

本文從改造工程概況、閘底板結(jié)構(gòu)計(jì)算、閘室穩(wěn)定計(jì)算三個(gè)方面對(duì)張巷浜節(jié)制閘改造中的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分析。根據(jù)單寬板條平衡條件，推求不平衡剪力；依據(jù)剪力分布，采用積分法確定閘墩和底板剪力分配系數(shù)。針對(duì)性計(jì)算均布荷載、集中荷載、邊荷載，核定閘室底板彎矩。依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)要求，確定閘室穩(wěn)定計(jì)算條件，列舉地基應(yīng)力、應(yīng)力不均勻系數(shù)、閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)、閘室抗浮穩(wěn)定系數(shù)等計(jì)算方法。本文論證了節(jié)制閘改造工程的典型計(jì)算方法，闡明了計(jì)算過(guò)程，以期為類似節(jié)制閘改造提供借鑒。

張巷浜節(jié)制閘；單寬板條平衡條件；積分法；閘室穩(wěn)定

1 引 言

太湖新城、梁溪河片區(qū)位于無(wú)錫市京杭運(yùn)河以西，由于現(xiàn)有水利工程存在一些薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)規(guī)劃建立運(yùn)西片防洪排澇控制圈。張巷浜位于運(yùn)西片區(qū)內(nèi)，西接梁溪河、東入京杭運(yùn)河，河道總長(zhǎng)約720m，河口寬10～40m，河道沿線均已建有擋墻。2005年，張巷浜節(jié)制閘建成，隸屬仙蠡橋水利樞紐附屬工程，具有阻止梅梁湖水流入京杭大運(yùn)河、保障梁溪河水與京杭大運(yùn)河自由交換等功用。

伴隨運(yùn)西片防洪體系建設(shè)，張巷浜節(jié)制閘運(yùn)行工況產(chǎn)生較大變化，由以調(diào)水功能為主轉(zhuǎn)而變?yōu)橐苑篮楣δ転橹?。根?jù)新的運(yùn)行水位要求，該節(jié)制閘已經(jīng)不能滿足防洪要求，極易遭受洪澇威脅，防洪形勢(shì)較為嚴(yán)峻。為解決上述問(wèn)題，擬按新的運(yùn)行工況對(duì)張巷浜節(jié)制閘進(jìn)行拆建改造，本文針對(duì)節(jié)制閘改造工程中的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分析，以期為類似工程提供借鑒。

2 改造工程概況

為順應(yīng)社會(huì)需求，結(jié)合工程現(xiàn)狀，確定節(jié)制閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。故工程地震設(shè)計(jì)烈度采用Ⅵ度，依據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 203—1997)規(guī)定，可不進(jìn)行抗震計(jì)算[1]。

張巷浜接近梁溪河口處新建單孔凈寬20m節(jié)制閘(鋼壩)，鋼壩凈高4.0m，壩頂高程5.90m，擬采用兩臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步啟閉。工程中涉及外圍防洪工程等別為Ⅱ等，沿河堤防工程為2級(jí)建筑物，支河口門控制建筑物為2級(jí)水工建筑物，施工圍堰等臨時(shí)建筑物級(jí)別為3級(jí)。

節(jié)制閘凈寬20m，單側(cè)啟閉機(jī)室寬4.5m。以閘門為界，閘室分上下游段，下游設(shè)計(jì)底板頂高程1.00m、厚1.80m，上游設(shè)計(jì)底板頂高程1.90m、底板厚2.70m。啟閉機(jī)室頂高程6.00m，中墩厚0.90m，邊墩厚0.80m，啟閉機(jī)墩臺(tái)頂高程2.88m，啟閉機(jī)室兩側(cè)回填土高程6.00m。

3 閘底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 不平衡剪力

3.1.1 不平衡剪力計(jì)算

下游側(cè)單寬板條不平衡剪力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。底板自重：q1=25×1.8=45.0kN/m。下游水重：q2=10×2.6=26.0kN/m。地基反力：q3=4.7/14.3×(76.48-69.41)+69.41=71.7kN/m。

下游側(cè)閘墩單寬自重及上部結(jié)構(gòu)荷重：?jiǎn)蝹€(gè)中墩的單寬自重P1=5×0.9×1×25=112.5kN；單個(gè)邊墩的單寬自重P2=5×0.8×1×25=100.0kN；作用于單個(gè)墩墻上部結(jié)構(gòu)(房屋+樓板)的單寬自重P3=2×10×1+1.4×0.2×25=27kN；啟閉機(jī)室高程1.00m以上單寬混凝土自重q4=1.878×25=47.0kN/m。

根據(jù)下游段單寬板條的平衡條件，以及∑Y=0，可推求單寬板條上的不平衡剪力ΔQ。

2(P1+P3+P2+P3)+29q1+2×2.8q4

+20q2-29q3+ΔQ=0[2]

經(jīng)計(jì)算得ΔQ=-20.7kN。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位： mm)

3.1.2 不平衡剪力分配

不平衡剪力由閘墩和底板共同承擔(dān)，可根據(jù)受彎構(gòu)件的剪力分布進(jìn)行分配，如圖2所示。

圖2 不平衡剪力計(jì)算(單位： mm)

3.2 單寬板條上荷載

均布荷載(未考慮自重)qa=ΔQ2/29=-5.6/29=-0.19kN/m，考慮部分底板自重，對(duì)該負(fù)值均布荷載進(jìn)行抵消[4]。

中墩處集中荷載Pa=P1+P3+ΔQ1[d1/(2d1+2d2)]=135.5kN(單個(gè))。邊墩的集中荷載Pb=P2+P3+ΔQ1[d2/(2d1+2d2)]=123.44kN(單個(gè))。啟閉機(jī)室墩臺(tái)簡(jiǎn)化集中荷載Pc=2.8q4=131.46kN(單個(gè)，啟閉機(jī)室2.8m寬)?；靥钔镣翂毫八畨毫ψ饔昧ε糓a(順時(shí)針為正)計(jì)算如下：

式中γ——擋土墻墻后填土重度，kN/m3，取18kN/m3；

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)，Ka=tan(45°-φ/2)2=0.57；

h2——墻后土壓力計(jì)算高度，m，5.33m。

左側(cè)回填土土壓力及水壓力作用力偶Ma=258.93kN·m，右側(cè)回填土土壓力及水壓力作用力偶Mb=-258.93kN·m。

節(jié)制閘南側(cè)為老河道，邊荷載的影響范圍取5.8m回填范圍，均勻分布；均布荷載取值為填土面至底板底面6.8m的填土重量，以長(zhǎng)度0.1×14.5=1.45m分4個(gè)條分，每個(gè)條分簡(jiǎn)化為一個(gè)集中荷載(P1～P4)分別計(jì)算，最后進(jìn)行疊加。節(jié)制閘北側(cè)根據(jù)設(shè)計(jì)開挖線進(jìn)行取值，取6×1.45=8.7m回填范圍，均布荷載根據(jù)回填土重量分段取值，簡(jiǎn)化為6個(gè)集中力(P1～P6)計(jì)算，最后進(jìn)行疊加[5]。邊荷載計(jì)算如圖3所示。

圖3 邊荷載計(jì)算示意圖(單位：mm)

南側(cè)邊荷載：P1=P2=P3=P4=h1×18×1.45=177.48kN。北側(cè)邊荷載：P1=177.48kN，P2=159.7kN，P3=124.1kN，P4=88.7kN，P5=52.9kN，P6=17.3kN。

3.3 底板內(nèi)力計(jì)算

梁的柔性指數(shù)是反映梁與地基之間相對(duì)剛度的一種指標(biāo)，可近似按下式計(jì)算：

式中E0——地基變形模量，4.16N/mm2；

Eh——混凝土彈性模量，3.15×104N/mm2；

l——地基梁的半梁長(zhǎng)度，14.5m；

h——梁的高度，1.80m。

計(jì)算可得：t=0.69，取t=1。

梁內(nèi)彎矩采用郭氏表法計(jì)算[6]，底板彎矩圖如圖4所示。

圖4 完建期底板彎矩

3.4 強(qiáng)度復(fù)核

c. 裂縫計(jì)算。

4 閘室穩(wěn)定計(jì)算

按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)要求，閘室穩(wěn)定應(yīng)滿足下列要求：?各種計(jì)算情況下閘室平均基底壓力不大于地基容許承載力，3層重粉質(zhì)壤土容許承載力140kN/m2；?基底壓力最大值與最小值之比不大于規(guī)定的容許值(基本組合1.50、特殊組合2.00)；?基底壓力最大值不大于地基允許承載力的1.2倍；?抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定容許值，其中，抗滑基本組合1.30、特殊組合1.15，抗浮基本組合1.10、特殊組合1.05。

4.1 地基應(yīng)力

結(jié)構(gòu)布置、受力情況對(duì)稱時(shí)，按下式計(jì)算：

∑G——閘室上豎向荷載，kN；

∑M——閘室上豎向荷載和水平荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向形心軸的力矩，kN·m；

A——閘室基礎(chǔ)底面面積，m2；

W——閘室基礎(chǔ)底面垂直水流方向形心軸截面矩，m3。

結(jié)構(gòu)布置、受力情況不對(duì)稱，可按下式計(jì)算：

式中 ∑Mx、∑My——閘室上豎向荷載和水平荷載對(duì)基礎(chǔ)底面形心軸x、y的力矩，kN·m；

Wx、Wy——閘室基礎(chǔ)底面對(duì)于形心軸x、y的截面矩，m3。

4.2 應(yīng)力不均勻系數(shù)

應(yīng)力不均勻系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中Pmax——閘室基底應(yīng)力的最大值，kPa；

Pmin——閘室基底應(yīng)力的最小值，kPa。

4.3 閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)

閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算：

∑H——閘室上全部水平荷載，kN。

4.4 閘室抗浮穩(wěn)定系數(shù)

閘室抗浮穩(wěn)定系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中 ∑V——閘室向下鉛直力的和，kN；

∑U——閘室基底面上揚(yáng)壓力，kN。

5 結(jié) 語(yǔ)

張巷浜節(jié)制閘位于運(yùn)西片區(qū)內(nèi)，隸屬仙蠡橋水利樞紐附屬工程。伴隨運(yùn)西片防洪體系建設(shè)，節(jié)制閘運(yùn)行工況產(chǎn)生較大變化，需對(duì)其進(jìn)行拆建改造。本文針對(duì)節(jié)制閘改造工程中的問(wèn)題，從改造工程概況、閘底板結(jié)構(gòu)計(jì)算、閘室穩(wěn)定計(jì)算三個(gè)方面對(duì)改造中的結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行分析，論證了計(jì)算方法，闡明了計(jì)算過(guò)程，以期為類似節(jié)制閘改造提供借鑒。

張巷浜節(jié)制閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，工程地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。改造工程中涉及外圍防洪工程等別為Ⅱ等，支河口門控制建筑物為2級(jí)水工建筑物。節(jié)制閘凈寬20m，以閘門為界，閘室分上下游段，分別設(shè)計(jì)地板高程和厚度。

根據(jù)下游段單寬板條的平衡條件，以及∑Y=0，推求單寬板條上的不平衡剪力。不平衡剪力由閘墩和底板共同承擔(dān)，依據(jù)受彎構(gòu)件的剪力分布進(jìn)行分配，采用積分法確定閘墩和底板的剪力分配系數(shù)。選定節(jié)制閘代表性受力部位，分別計(jì)算均布荷載、集中荷載、邊荷載。核定結(jié)構(gòu)中梁的柔性指數(shù)，采用郭氏表法計(jì)算閘室底板彎矩。分析改造工程的混凝土、鋼筋條件，計(jì)算受彎承載力和裂縫寬度，驗(yàn)證其是否滿足強(qiáng)度要求。

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2001)要求，閘室穩(wěn)定應(yīng)滿足：閘室平均基底壓力不大于地基容許承載力，基底壓力最大值與最小值之比不大于規(guī)定容許值，基底壓力最大值不大于地基允許承載力的1.2倍，抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定容許值。本文分別列舉了推薦的地基應(yīng)力、應(yīng)力不均勻系數(shù)、閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)、閘室抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法。

[1] 雷瑩. 劉家道口節(jié)制閘閘墩鋼模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 水利水電施工, 2012(3):25-26.

[2] 汪貴紅. 蚌埠閘節(jié)制閘抗震復(fù)核計(jì)算與分析評(píng)價(jià)[J]. 江淮水利科技, 2004(2):34-35.

[3] 許尚偉. 預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2010.

[4] 姜楠. 松北水城天璣湖進(jìn)水閘應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)計(jì)算[J]. 黑龍江水利科技, 2013, 41(6):64-65.

[5] 鄭彩霞. 平原地區(qū)水閘設(shè)計(jì)優(yōu)化理論分析[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2006.

[6] 賈艷霞, 靳翠紅. 淺析任文干渠后趙節(jié)制閘工程設(shè)計(jì)[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2013, 11(01): 126-128.

AnalysisonstructurecalculationinWuxiZhangxiangbangRegulatorRenovationProject

Lü Xiaowei, HE Jiandong, ZHOU Jiandong

(WuxiWaterConservancyDesignResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuxi214023,China)

In the paper, the structure calculation in Zhangxiangbang regulator renovation is analyzed from three aspects of renovation project profile, sluice board structure calculation and gate chamber stability calculation. The unbalanced shear force is deduced according to the balance condition of single width plate. Integral method is adopted for determining the gate pier and bottom board shear distribution coefficient according to shear force distribution. The uniformly distributed load, centralized load and lateral load are calculated in a targeted mode. Gate chamber bottom board bending moment is checked. The gate chamber stability calculation conditions are determined according to requirements of ‘Water Gate Design Specification’ (SL 265—2001). The calculation methods are listed, such as foundation stress, stress non-uniform coefficient, gate chamber anti-slip stability coefficient, gate chamber anti-floating stability coefficient and other calculation method. In the paper, the typical calculation method of sluice renovation project is discussed. The calculation process is clarified, thereby providing reference for similar regulator reform.

Zhangxiangbang regulator; single width plate balance condition; integral method; gate chamber stability

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.011

TV66

B

1005-4774(2017)010-0043-05