王堤口渡槽下部框架結構荷載組合及應力分析

竇洪國 隋保生 劉紅偉 李 鵬

(1.山東省聊城市水利勘測設計院山東聊城252000;2.山東省聊城市水利開發投資公司山東聊城252000;3.山東省聊城市水利工程建設監理站山東聊城252000)

1 工程概況

聊城市位山引黃灌區王堤口渡槽位于聊城市東昌府區境內,是位山三干渠跨越徒駭河的平面交叉建筑物。徒駭河是聊城市境內主要的排澇河道,設計排澇流量323m3/s,設計行洪流量488m3/s。王堤口渡槽設計流量100m3/s,加大流量110m3/s,不僅承擔著下游200多萬畝農田的灌溉任務,還承擔著引黃濟津、引黃濟淀等跨流域調水的任務,發揮著不可替代的樞紐作用。

王堤口渡槽順水流向全長98.4m,槽身結構自下而上依次為:灌注樁基礎、樁頂連續梁、連續底板、鋼閘門側墻、閘墩、排架、機架橋、機房。其側墻由18扇直升式平面鋼閘門組成,左右兩側各9扇,單孔閘門尺寸 (寬×高)10.8m×4.1m。底板和側墻共同組成 (寬×高)22.0m×4.1m的矩形輸水斷面。

2 荷載組合分析

灌注樁基礎、蓋梁和閘墩共同組成一個多次超靜定框架結構,如圖1所示。為便于結構計算,根據各桿件的剛度大小關系,對桿件進行合理地簡化處理,閘墩、斜撐與蓋梁之間簡化為剛結點,蓋梁與樁基之間簡化為鉸接點。在進行框架結構內力計算之前,根據渡槽在輸水期間可能發生的各種運行工況,將可能同時作用在框架結構上的各種荷載進行組合。

2.1 基本組合Ⅰ

施工完建期 (閘門關閉),渡槽內無水。考慮荷載為結構自重、設備自重、人群荷載以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.2 基本組合Ⅱ

施工完建期 (閘門開啟),渡槽內無水。考慮荷載為結構自重、設備自重、人群荷載、風荷載以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況注意,鋼閘門處于開啟狀態時,其受到的風荷載不可忽略。

2.3 基本組合Ⅲ

設計水位輸水期,渡槽內為設計輸水位 (水深2.47m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、人群荷載、風荷載、靜水壓力以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.4 基本組合Ⅳ

加大水位輸水期 (開啟閘門時),渡槽內為加大輸水位 (水深2.65m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、人群荷載、風荷載、靜水壓力以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況須注意,閘門開啟過程中,閘門滑塊對閘墩有向上的摩擦力,計算上部結構通過排架傳遞到 閘墩的力和力矩時,須考慮啟閉機運行狀態的影響。

圖1 閘墩、蓋梁和樁基礎組成的框架結構

2.5 基本組合Ⅴ

加大水位輸水期(關閉閘門時),渡槽內為加大輸水位 (水深2.65m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、人群荷載、風荷載、靜水壓力以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。本組合工況須注意,閘門關閉過程中,閘門滑塊對閘墩有向下的摩擦力,計算上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩時,須考慮到啟閉機運行狀態的影響。

2.6 特殊組合Ⅰ

最高擋水位輸水期,渡槽上部結構 (機架橋、機房等)均已安裝到位,渡槽內為最高擋水位 (水深4.1m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、人群荷載、風荷載、靜水壓力以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.7 特殊組合Ⅱ

最高擋水位輸水期,渡槽上部結構 (機架橋、機房等)尚未安裝,渡槽內為最高擋水位 (水深4.1m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、靜水壓力以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

2.8 特殊組合Ⅲ

設計水位輸水期加遇設計烈度為7度的地震荷載,渡槽內為設計輸水位 (水深2.47m)。考慮荷載為結構自重、設備自重、水自重、靜水壓力、風荷載、地震荷載以及上部結構通過排架傳遞到閘墩的力和力矩。

3 結構計算

3.1 渡槽下部框架結構

渡槽下部框架結構為多次超靜定結構,其內力計算以常規結構力學的方法不易求解,本次計算利用河海大學工程力學研究所開發的 “水工結構有限元分析系統 V5.6”,采用有限元技術對結構內力進行詳細地分析 (特殊組合Ⅰ的荷載簡圖與內力圖略)。

3.2 框架結構各桿件控制截面的內力計算

框架結構各桿件控制截面的內力計算結果如下表所示。

表1 框架結構內力計算結果統計表

4 結語

王堤口渡槽同時承擔著引黃灌溉、引黃濟津和引黃濟淀等任務,在不同的輸水時段,渡槽的水位、流量均差異較大,運行工況十分復雜。渡槽下部框架結構是槽身主要的承重部分,其內力計算是整個渡槽設計的關鍵環節,必須經過慎密細致地分析和計算,以確保整個渡槽結構的安全和穩定。

王堤口渡槽工程于2010年底順利通過專家組竣工驗收,目前已經運行近四個月,觀測資料顯示,渡槽運行穩定,各項監測指標均正常,未發現任何安全隱患。事實證明,渡槽下部框架結構的內力計算結果是合理可靠的。

因個人水平所限,文中數據的分析及計算疏漏之處在所難免,請各位專家提出寶貴意見,以利于共同學習和提高。