瀑布溝水電站尼日河引水工程首部泄洪閘排架設(shè)計(jì)

王方亮，索慧敏

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 四川 成都 610072)

1 前 言

尼日河系大渡河的一條支流。全長(zhǎng)140km，流域面積4 090km2，多年平均流量128m3/s，年徑流量40.4億m3。為了充分利用尼日河的水力資源，采取在尼日河上建低閘，用引水隧洞將尼日河水引入瀑布溝水電站水庫(kù)，枯期引用流量為80m3/s，可增加瀑布溝水電站保證出力60MW，年發(fā)電量5.4億kW·h，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

尼日河引水工程屬三等工程，主要建筑物為3級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)洪水P=2%，相應(yīng)流量2 560m3/s，校核洪水P=0.2%，相應(yīng)流量3 520m3/s。首部樞紐主要建筑物有：泄洪閘、擋水壩和取水口。泄洪閘共三孔，孔口尺寸9m×11.7m(寬×高)，閘前正常蓄水位866.70m，閘頂高程874.50m，最大閘高24.5m，用平板工作門控制泄量。工作門由固定式啟閉機(jī)控制，啟閉機(jī)布置于啟閉機(jī)排架上。泄洪閘啟閉機(jī)排架為高16.0m的現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)，排架上部布置啟閉機(jī)房，下部與閘墩固接。垂直于水流向布置3跨，1、3號(hào)閘孔排架跨度為12.0m，2號(hào)閘孔排架跨度為12.5m；順?biāo)鞣较驗(yàn)閱慰纾缍葹?.1m。

2 排架設(shè)計(jì)基本資料

(1)泄洪閘排架按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1。

(2)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，容重為25kN/m3。

(3)抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計(jì)地震加速度為0.15g，為二類場(chǎng)地，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，周期折減系數(shù)取0.8，按設(shè)計(jì)地震第3組計(jì)算，修正后的基本風(fēng)壓為0.3kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

(4)啟閉機(jī)房墻、柱荷載見圖1、2。

(5)排架依據(jù)DL/T5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(6)啟閉機(jī)基礎(chǔ)荷載及位置見圖3。啟閉機(jī)起吊中心線上游側(cè)基礎(chǔ)荷載Q1=121kN，Q2=132kN；啟閉機(jī)起吊中心線下游側(cè)基礎(chǔ)荷載Q3=284kN，Q4=257kN。啟閉機(jī)荷載的作用分項(xiàng)系數(shù)取1.1，動(dòng)載系數(shù)取1.05。

3 排架設(shè)計(jì)和計(jì)算模型

3.1 排架設(shè)計(jì)工況

根據(jù)固定式啟閉機(jī)的實(shí)際可能運(yùn)行情況進(jìn)行全面分析，按最不利的工況進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，計(jì)算兩種工作情況。

(1)正常工作工況(啟閉機(jī)啟吊閘門工作時(shí)+無(wú)地震組合)。

(2)地震工況(啟閉機(jī)靜止不工作時(shí)+地震組合，包括閘門自重和啟閉機(jī)自重)。

3.2 排架結(jié)構(gòu)截面尺寸設(shè)計(jì)

3.2.1 框架結(jié)構(gòu)布置

布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，減少偏心，剛度和承載力分布均勻，平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比不宜過(guò)大，以減少震害。

3.2.2 樓板設(shè)計(jì)

圖1 墻荷載

圖2 柱荷載(典型荷載)

圖3 啟閉機(jī)基礎(chǔ)荷載及位置

板應(yīng)滿足承載力、剛度和裂縫控制的要求，并滿足啟閉機(jī)的荷載設(shè)備和運(yùn)行要求，板的厚度取15cm。

3.2.3 框架梁設(shè)計(jì)

框架梁截面尺寸根據(jù)豎向荷載大小、跨度、抗震設(shè)防烈度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，現(xiàn)澆整體式框架梁可取h=(1/8～1/10)l，l為梁的計(jì)算跨度，初步確定梁結(jié)構(gòu)尺寸為：主梁60cm×120cm(寬×高)，次梁45cm×80cm(寬×高)，橫梁50cm×80cm(寬×高)。

3.2.4 框架柱設(shè)計(jì)

框架柱的截面按軸壓比先進(jìn)行估算，同時(shí)滿足規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造要求，初步確定柱結(jié)構(gòu)尺寸為80cm×80cm(寬×高)。

3.3 計(jì)算方法

尼日河引水工程首部泄洪閘啟閉機(jī)排架計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的建筑計(jì)算分析程序PKPM進(jìn)行建模及計(jì)算分析。首先通過(guò)結(jié)構(gòu)平面樓蓋設(shè)計(jì)程序(PMCAD)，除計(jì)算結(jié)構(gòu)自重外，還自動(dòng)完成從樓板到次梁、從次梁到主梁、從主梁到承重柱、從上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)的全部計(jì)算，局部的外加荷載，建立建筑的荷載數(shù)據(jù)模型；再通過(guò)平面和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，以一榀框架或整體結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、配筋計(jì)算和極限狀態(tài)驗(yàn)算等，綜合確定排架設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

3.4 排架PKPM模型建立

在PMCAD程序中建模，對(duì)各層進(jìn)行構(gòu)件布置和荷載輸入，生成排架計(jì)算模型(見圖4)。

圖4 排架計(jì)算模型

4 排架內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)排架的基本資料，計(jì)算中輸入的主要參數(shù)見表1。

表1 排架主要計(jì)算參數(shù)

計(jì)算包括樓板計(jì)算，排架的彎矩、軸力、剪力包絡(luò)圖、風(fēng)載計(jì)算和地震荷載計(jì)算等。由于排架計(jì)算部位較多和文章的篇幅有限，本文結(jié)合排架的結(jié)構(gòu)布置和荷載位置的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果選取每種工況下受力最不利的部位(由于排架結(jié)構(gòu)及受力對(duì)稱，僅顯示半榀框架計(jì)算結(jié)果圖)。

(1)正常工作工況(半榀)計(jì)算結(jié)果見圖5～8。

圖5 彎矩包絡(luò)圖(kN·m)

圖6 軸力包絡(luò)圖(kN)

圖7 剪力包絡(luò)圖(kN)

圖8 左(右對(duì)稱)風(fēng)載彎矩圖(kN·m)

(2)次梁計(jì)算結(jié)果見圖9～10。

(3)地震工況(半榀)結(jié)果見圖11～12。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 排架板、梁、柱計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)不同工況進(jìn)行內(nèi)力包絡(luò)分析計(jì)算，得到板、梁、柱計(jì)算結(jié)果(見表2)。

圖9 彎矩包絡(luò)圖(kN·m)

圖10 剪力包絡(luò)圖(kN)

排架部位配筋率/ %縱向鋼筋截面面積比最大軸壓比最大裂縫/mm最大撓度/mm樓板0.270.041.19框架梁1.05/0.510.7/0.80.2625.7次梁1.080.288.4框架柱2.41/0.6/1.020.47

注：1)表中框架梁數(shù)值分別為主梁和次梁。

2)表中框架柱配筋率數(shù)值分別為縱向鋼筋配筋率、每一側(cè)配筋率和箍筋體積配箍率。

圖11 彎矩包絡(luò)圖(kN·m)

圖12 左(右對(duì)稱)地震彎矩圖(kN·m)

通過(guò)板、梁、柱計(jì)算結(jié)果表明：

(1)板按跨度最大處進(jìn)行計(jì)算，板的配筋率大于0.2%，最大撓度值小于l0/200=14.6mm，最大裂縫寬度小于0.30mm，均滿足規(guī)范要求。

(2)排架主梁和橫梁按框架梁進(jìn)行計(jì)算，主梁和橫梁的縱向受拉鋼筋的配筋率均大于0.25%、小于2.5%；主梁和橫梁梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋截面面積的比值均大于0.3；框架梁的最大裂縫寬度小于0.30mm，最大撓度值小于l0/400=30mm，均滿足規(guī)范要求。

次梁縱向受力鋼筋的配筋率大于0.2%，最大裂縫寬度小于0.30mm，最大撓度值小于l0/400=13.3mm，均滿足規(guī)范要求。

(3)排架柱的截面尺寸滿足要求。排架柱的最大軸壓比值小于0.9出現(xiàn)在正常工況；排架柱縱向鋼筋配筋率大于0.9%，且小于5%；每一側(cè)配筋率大于0.2%，柱箍筋體積配箍率大于0.7%，均滿足規(guī)范要求。

5.2 排架整體結(jié)果分析

該框架結(jié)構(gòu)高度相對(duì)較低，布置規(guī)則、對(duì)稱，從以下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)柱軸壓比：框架柱的最大軸壓比出現(xiàn)在正常工況(見圖6)，為μ=0.47<0.9，滿足規(guī)范要求。

(2)剪重比(剪力系數(shù))：由表3可知，層間最小剪重比為0.044 77>0.024，滿足規(guī)范要求。

表3各層剪重比值(典型值)

(3)層間位移：框架在多遇地震作用下最大彈性層間位移角為1/628≤[θe]1/550， 在罕遇地震下薄弱層層間彈塑性位移角為1/100≤[θe]1/50，均滿足規(guī)范要求。

(4)框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算：由表4可知，框架整體穩(wěn)定滿足要求。

表4框架整體穩(wěn)定驗(yàn)算

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)啟閉機(jī)排架進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，可得出以下結(jié)論：

(1)啟閉機(jī)排架在正常工況和地震工況下的結(jié)構(gòu)整體和局部的計(jì)算結(jié)果合理，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。表明排架結(jié)構(gòu)布置合理，框架整體穩(wěn)定，板、梁、柱尺寸和配筋滿足要求。

(2)框架結(jié)構(gòu)布置中，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜均勻?qū)ΨQ，具有良好的整體性。

(3)框架設(shè)計(jì)時(shí)體現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的原則，如采用凈跨框架梁?jiǎn)卧Ｐ停m當(dāng)降低梁端負(fù)彎矩?cái)?shù)值(考慮梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù))，合理控制框架梁的梁端底部鋼筋進(jìn)入框架柱的數(shù)量等。

(4)框架梁的裂縫寬度驗(yàn)算中，宜采用柱邊緣截面處的梁端內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

(5)在框架抗震驗(yàn)算中，應(yīng)重視控制剪重比，確保結(jié)構(gòu)安全性。

(6)計(jì)算后，一些參數(shù)和計(jì)算結(jié)果可能不滿足要求，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

[1] 魏堅(jiān)政,石廣斌,侯建國(guó),等.DL/T5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[2] 黃世敏,王亞勇,丁潔民,等.GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] 周松盛,周露,陸震,周菁.最新建筑技術(shù)手冊(cè)[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[4] 周俐俐.多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版,2008.

[5] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)答與分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.