閘墩牛腿梁結構簡化計算

閆丹青，張 銳

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024；2.水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 閘墩牛腿梁結構簡述

牛腿梁位于弧形閘門出口閘室的閘墩上，是閘墩結構的一個重要組成部分，其迎水側預埋鋼板支鉸大梁，與弧形閘門支臂相連。當閘門關閉時，其所承受的水壓力經鋼板支鉸大梁傳遞到牛腿梁上，再通過閘墩扇形鋼筋把集中力分散傳遞到閘墩的上游部分。

由于牛腿梁、閘墩與壩體相互作用，受力情況比較復雜，在結構計算過程中往往進行簡化，下面以守口堡水庫泄洪沖沙底孔牛腿梁為例，對閘墩牛腿梁結構的簡化計算予以論述。

2 牛腿梁結構布置

守口堡水庫樞紐大壩為膠凝砂礫石壩，壩頂相對高程43.6 m，最大壩高61.6 m。溢流表孔布置在河床中部，共設6孔，每孔凈寬9 m，堰頂相對高程為40 m；溢流表孔兩側各布置2孔泄洪沖沙底孔，斷面尺寸為4.0 m×4.8 m，進口底相對高程為10.0 m。底孔由進口段、洞身段和出口段組成，進口段設事故檢修閘門，出口段設弧形工作閘門。

出口閘室閘墩分為邊墩及中墩。閘墩底板相對高程為10.0 m，閘墩頂部相對高程為20.0 m，在相對高程15.5 m 處設置牛腿梁，高2.5 m，寬1.8 m，牛腿梁軸線與水平方向夾角為25.885 7o，具體布置如圖1所示。

弧形門承受的水壓力通過弧門支臂傳遞到支鉸上，為了將支鉸所承受的力均勻地傳遞到牛腿梁上，在牛腿梁前端埋設支鉸大梁，支鉸大梁寬1 300 mm，高890 mm，由16 mm厚鋼板焊接而成，采用Q235鋼材制作，支鉸大梁兩側伸入閘墩800 mm，如圖2 所示。

圖1 弧形閘門閘墩牛腿梁布置

3 結構簡化計算

3.1 計算工況

以守口堡水庫泄洪沖砂底孔牛腿梁為例，校核洪水位時閘門開啟，由閘門承受的水壓力通過支鉸大梁傳遞至牛腿梁，此時牛腿梁處于最不利受力工況。

根據金屬結構相關技術資料，1 個支鉸受水平推力6 kN，平行于支鉸大梁推力70 kN，垂直于支鉸大梁推力3 200 kN，牛腿梁受力如圖3 所示。

根據體型布置情況可知，牛腿梁可簡化為兩端支撐在閘墩上的受彎構件，在端部伴隨部分固結，綜合考慮各種因素，以保守計算為原則，將牛腿梁的受力分2種情況進行計算。

圖2 牛腿梁鋼板支鉸大梁布置

圖3 牛腿梁受力

（1）考慮固結情況。牛腿梁兩端固結于閘墩上，此時固端受拉，兩端處于不利狀態，兩端負彎矩達到最大，以此來分析固端受力情況并配置負彎矩鋼筋。

（2）不考慮固結情況。牛腿梁為簡支梁，此時跨中彎矩達到最大值，跨中處于不利狀態，以此來分析跨中受力情況并配置受拉鋼筋。

3.2 荷載及鋼筋計算

（1）情況1。牛腿梁前端設置鋼板支鉸大梁，兩端固結于閘墩上，此時固端處于最不利狀況，在不考慮閘墩參與牛腿梁的變形時，兩端的負彎矩由鋼板承擔。由于牛腿梁前端設有鋼板支鉸大梁，支鉸推力的集中荷載轉化為均布荷載，受力簡圖如4所示。

圖4 情況1受力簡圖

很明顯，此時鋼板所承受的應力與其許用應力的關系將影響牛腿梁的結構設計，根據彎曲正應力的計算得到荷載設計值1 708.43 kN·m，桿端彎矩值-2 277.9 kN·m，鋼板應力σ=130 MPa，鋼板許用應力[σ]Q235=215 MPa。由上述結果可知，牛腿梁前部鋼板應力滿足材料許用應力要求，牛腿梁所承受的力在端部產生的負彎矩可以由鋼板支鉸大梁承擔，因此在牛腿梁上游側可不必再配置受力鋼筋。

（2）情況2。牛腿梁不完全固結于閘墩上，考慮到閘墩參與牛腿梁的應力變形，兩端按簡支計算，此時跨中處于最不利狀況，結合牛腿梁的結構設計，牛腿梁為深受彎構件，受力簡圖如圖5所示。

圖5 情況2受力簡圖

依據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008），深受彎構件正截面受彎承載力的計算結果為：荷載設計值1 478.86 kN·m，剪力值3 401.38 kN，跨中彎矩值3 911.58 kN·m。

依據深受彎構件正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力的要求，計算鋼筋布置形式見表1。

表1 配筋形式

3.3 抗裂驗算

牛腿梁為深受彎構件，采用C25混凝土，綜合比較上述2 種情況，第2 種情況為抗裂驗算的控制工況，根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008），抗裂驗算應符合下式規定：

式中：Mk為按荷載標準值計算的彎矩值（N·mm）；αct為混凝土拉應力限制系數，取0.85；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值（N/mm2），取1.78；γm為截面抵抗矩塑性系數，取1.55；W0為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩（mm3）；y0為換算截面重心至受壓邊緣的距離（mm）；I0為換算截面對其重心軸的慣性矩（mm4）；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，即αE=Es/Ec=2.0×105/2.8×104=7.14；ρ為縱向受拉鋼筋的配筋率；h為截面高度（m）；b為截面寬度（m）；As為受拉鋼筋截面面積（mm2）；h0為截面有效高度（m）。

經計算，得出y0＝1 266.5 mm，I0＝2.426×104mm4，W0=1.97×109mm3，Mk=3 550 kN·m，γmαctftkW0=4 619.9 kN·m，由此可知Mk＜γmαctftkW0。

4 結論

由上述計算可知，在校核洪水位情況下，閘門開啟，牛腿梁處于最不利工況，此時對于牛腿梁的結構計算可參照上述2種情況進行簡化。結合守口堡水庫泄洪沖砂底孔牛腿梁設計可知該計算結果滿足結構要求和抗裂要求，可以作為結構設計的依據。但也應該認識到，在荷載作用下，牛腿梁、閘墩和壩體之間相互作用，應力分布情況比較復雜，還需作進一步的探討和研究。