分析水電站溢流壩啟閉排架計算方法

趙 振，盧常亮

遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧沈陽 110000

1 工程情況概述

水電站位于江的上游支流河上，大壩的地址位于原來電站舊壩下游1 540m的位置，壩址控制集雨面積為185km2，攔河壩采用漿砌石重力壩，因為左右兩岸非溢流壩段和河床中間溢流壩段組成，其中溢流壩段長39m、非溢流壩段長82.25m。

溢流壩段要布置共3個孔為溢流閘孔，閘孔凈寬10m，采用平面鋼閘門擋水。每扇門各設立一臺QPQ2×250kN固定式啟閉機進行啟閉控制，啟閉平臺分成3跨，每跨兩端以簡支形式擱在啟閉排架上。啟閉排架采用雙層鋼筋的鋼架結構，凈高8m，跨長3.2m，基礎固結在閘墩上。排架柱尺長×寬=600mm×600mm，橫梁尺寸高×寬=600mm×500mm。

2 假設計算的條件

啟閉排架梁、柱長細比均1/h大于5，在計算簡圖中采用梁、柱軸線代替梁柱桿件。橫梁支座截面和跨中截面的高度比hc/h小于1.6，不考慮橫梁支托的影響，衡量按等截面鋼架簡化計算。

啟閉排架同時受到橫縱兩個方向的荷載作用，實際上構成空間受力，結構的剛度在兩個方向上不同，同時考慮到結構的空間作用計算比較復雜，所以將橫縱兩個方向的受力分開簡化計算。橫相按照平面框架計算，縱向按照一般偏心受壓柱計算，這里不作為詳細的講解和介紹。

3 計算工程情況的組合

3.1 橫向荷載組合

在橫向荷載計算的時候，風壓力分為兩種情況考慮，一種是閘門全部開啟，工作橋上無人群荷載，除排架和工作橋受到風壓力以外，高懸的閘門上所受到的風壓力通過門槽或活動門擋傳給排架；另一種是閘門剛開啟的時候，僅排架和工作橋承受風荷載，前者屬于對排架受力最不利的情況。

3.2 縱向荷載組合

按照以下兩種情況考慮：第一，由于相鄰兩孔閘門同時啟閉，左右兩跨工作橋傳來的支座壓力相等，此時排架的柱軸方向受力最大；第二，左右兩跨傳來的壓力不相等，最不利荷載組合，一個孔剛剛開啟的時候該跨的工作橋傳來的荷載最大，另一個孔閘門關閉，啟門力是零，工作橋荷載最小這樣的情況下偏心荷載最大。在施工過程中排架兩側荷載不對稱，也會有偏心荷載產生，計算時候要進行對應的驗算。

4 橫向排架的計算

由于水利水電工程相對比較復雜和特殊，水工結構設計手段相對落后，嚴重制約了設計的精確性和效率性，這樣很難適應現在高速、高效的工程要求。啟閉排架計算的工況組合多種多樣，計算的部位繁多、計算過程很復雜，非常不利于修改，設計技術人員工作非常繁重。

PKPM軟件是中國科學院結構研究所專門為建筑設計，結構計算等研制開發的專業性軟件。在混凝土結構的配筋上有很多獨特的優越性和方便性，雖然它采用的規范本身與《水工混凝土結構設計規范》存在一定的差異，雙方行業所采用的計算方式中取的系數類別或系數值不同，但其計算理論的核心一致，可以通過設計人員在計算操作過程中修正和加以利用。

PKPM混凝土結構配筋計算的依據是《混凝土結構設計規范》（GBJ10-89），而水工混凝土結構配筋計算的依據是《水工混凝土結構設計規范》（DL1997-58），兩種規范都是采用以概率論的理論為基礎的極限狀態設計法，以可靠的指標度量結構構件的可靠度，采用以分項系數的設計表達式進行設計。

PKPM計算過程：建模-結構計算-結構圖繪制-編輯成圖。啟閉排架計算可由PKPM中的PK平面框架模塊完成繪圖。本次選擇中間排架作為計算對象，選取閘門全開受風壓力，工作橋上無人群荷載作為計算工況，以驗證PKPM的計算設計效果。

建模的工作主要內容包括：軸線輸入、構件定義、荷載定義。1）規則框架建模可以直接通過“快速建模”工具條輸入跨度和層高，多層多跨的時候可以重復累計輸入。軸線輸入的時候注意最小間距的要求大于150mm，否則可能會引起后面復雜計算出錯，導致不能計算，因此中心距小于150mm的構件不能同時都輸入軸線，只能輸入其中一個構件，另一個通過偏心輸入或者都通過偏心輸入；2）構件定義包括截面定義和布置，注意排架柱布置時默認中心線重合軸線，梁布置的時候則會以頂部邊線重合軸線；3）荷載定義建議采用手工輸入，這樣不容易出現錯誤。將上部啟閉平臺傳下來的荷載按活荷載及恒荷載分開輸入，風荷載轉化為節點荷載進行輸入。

5 計算結果核對與校對

軟件出錯的概率比較高，算出的結果不能直接采用，要經過設計人員的定性與定量的核準，及時發現錯誤進行糾正。首先對計算的簡圖和幾何尺寸、荷載位置等計算條件進行核對，其次對內力圖進行核對，內力圖是結構設計的基礎，也是后面進行配筋的主要依據，更是判斷結構布置是否合理，截面尺寸擬定是否滿足要求的最直觀的方法。我們采用結構力學平衡條件進行核準，用最基礎的節點平衡法、截面法，校準時應該忽略次要的受力荷載。從內力計算結果上看，內力圖形要符合力學規律、數值要滿足平衡條件。

6 配筋結果的修正

PKPM軟件計算出的內力比較準確不用調整，但是算出的配筋量往往達不到實際配筋的需求量，必須乘以一個放大系數β進行修正，取值一般按照經驗為1.01～1.10。因為混凝土設計強度fcm和截面計算有效高度在軟件中與水工規范有出入，而且是固定值無法調整。另外邊柱及角柱受偏心及作用較大而且是空間受力，采用平面假定將橫縱方向分開計算偏于危險應該按照經驗對配筋進行放大，邊柱乘以放大系數1.1，角柱乘以放大系數1.2。

綜上所述，啟閉排水架是水工鋼筋砼結構，工況組合及計算過程比較復雜。怎么樣對計算模型進行合理的簡化，選用高效軟件成為行業共識。PKPM軟件給計算排架內力和配筋方面帶來高效性，同時我們要注意差異點，PKPM軟件不是根據水工規范而是根據工民建規范編制的，設計人員必須在設計中注意一些軟件操作上和輸入參數處理技巧，一定要對計算結果進行合理修正。

[1]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.PKPM用戶手冊，2001.

[2]張世儒，夏維城.水閘[S].北京：水利電力出版社，1987.