無錫市張巷浜節制閘改造工程結構計算淺析

(無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023)

無錫市張巷浜節制閘改造工程結構計算淺析

呂曉威何建棟周建東

(無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023)

本文從改造工程概況、閘底板結構計算、閘室穩定計算三個方面對張巷浜節制閘改造中的結構計算進行分析。根據單寬板條平衡條件，推求不平衡剪力；依據剪力分布，采用積分法確定閘墩和底板剪力分配系數。針對性計算均布荷載、集中荷載、邊荷載，核定閘室底板彎矩。依據《水閘設計規范》(SL 265—2001)要求，確定閘室穩定計算條件，列舉地基應力、應力不均勻系數、閘室抗滑穩定系數、閘室抗浮穩定系數等計算方法。本文論證了節制閘改造工程的典型計算方法，闡明了計算過程，以期為類似節制閘改造提供借鑒。

張巷浜節制閘；單寬板條平衡條件；積分法；閘室穩定

1 引 言

太湖新城、梁溪河片區位于無錫市京杭運河以西，由于現有水利工程存在一些薄弱環節，現規劃建立運西片防洪排澇控制圈。張巷浜位于運西片區內，西接梁溪河、東入京杭運河，河道總長約720m，河口寬10～40m，河道沿線均已建有擋墻。2005年，張巷浜節制閘建成，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河、保障梁溪河水與京杭大運河自由交換等功用。

伴隨運西片防洪體系建設，張巷浜節制閘運行工況產生較大變化，由以調水功能為主轉而變為以防洪功能為主。根據新的運行水位要求，該節制閘已經不能滿足防洪要求，極易遭受洪澇威脅，防洪形勢較為嚴峻。為解決上述問題，擬按新的運行工況對張巷浜節制閘進行拆建改造，本文針對節制閘改造工程中的結構計算進行分析，以期為類似工程提供借鑒。

2 改造工程概況

為順應社會需求，結合工程現狀，確定節制閘防洪標準為200年一遇。該區地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度，地震動反應譜特征周期為0.35s。故工程地震設計烈度采用Ⅵ度，依據《水工建筑物抗震設計規范》(SL 203—1997)規定，可不進行抗震計算[1]。

張巷浜接近梁溪河口處新建單孔凈寬20m節制閘(鋼壩)，鋼壩凈高4.0m，壩頂高程5.90m，擬采用兩臺液壓啟閉機同步啟閉。工程中涉及外圍防洪工程等別為Ⅱ等，沿河堤防工程為2級建筑物，支河口門控制建筑物為2級水工建筑物，施工圍堰等臨時建筑物級別為3級。

節制閘凈寬20m，單側啟閉機室寬4.5m。以閘門為界，閘室分上下游段，下游設計底板頂高程1.00m、厚1.80m，上游設計底板頂高程1.90m、底板厚2.70m。啟閉機室頂高程6.00m，中墩厚0.90m，邊墩厚0.80m，啟閉機墩臺頂高程2.88m，啟閉機室兩側回填土高程6.00m。

3 閘底板結構計算

3.1 不平衡剪力

3.1.1 不平衡剪力計算

下游側單寬板條不平衡剪力計算簡圖如圖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。

下游側閘墩單寬自重及上部結構荷重：單個中墩的單寬自重P1=5×0.9×1×25=112.5kN；單個邊墩的單寬自重P2=5×0.8×1×25=100.0kN；作用于單個墩墻上部結構(房屋+樓板)的單寬自重P3=2×10×1+1.4×0.2×25=27kN；啟閉機室高程1.00m以上單寬混凝土自重q4=1.878×25=47.0kN/m。

根據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]

經計算得ΔQ=-20.7kN。

圖1 計算簡圖(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，可根據受彎構件的剪力分布進行分配，如圖2所示。

圖2 不平衡剪力計算(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，對該負值均布荷載進行抵消[4]。

中墩處集中荷載Pa=P1+P3+ΔQ1[d1/(2d1+2d2)]=135.5kN(單個)。邊墩的集中荷載Pb=P2+P3+ΔQ1[d2/(2d1+2d2)]=123.44kN(單個)。啟閉機室墩臺簡化集中荷載Pc=2.8q4=131.46kN(單個，啟閉機室2.8m寬)。回填土土壓力及水壓力作用力偶Ma(順時針為正)計算如下：

式中γ——擋土墻墻后填土重度，kN/m3，取18kN/m3；

Ka——主動土壓力系數，Ka=tan(45°-φ/2)2=0.57；

h2——墻后土壓力計算高度，m，5.33m。

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

節制閘南側為老河道，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，以長度0.1×14.5=1.45m分4個條分，每個條分簡化為一個集中荷載(P1～P4)分別計算，最后進行疊加。節制閘北側根據設計開挖線進行取值，取6×1.45=8.7m回填范圍，均布荷載根據回填土重量分段取值，簡化為6個集中力(P1～P6)計算，最后進行疊加[5]。邊荷載計算如圖3所示。

圖3 邊荷載計算示意圖(單位：mm)

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

3.3 底板內力計算

梁的柔性指數是反映梁與地基之間相對剛度的一種指標，可近似按下式計算：

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——地基梁的半梁長度，14.5m；

h——梁的高度，1.80m。

計算可得：t=0.69，取t=1。

梁內彎矩采用郭氏表法計算[6]，底板彎矩圖如圖4所示。

圖4 完建期底板彎矩

3.4 強度復核

c. 裂縫計算。

4 閘室穩定計算

按《水閘設計規范》(SL 265—2001)要求，閘室穩定應滿足下列要求：?各種計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、抗浮穩定安全系數大于規定容許值，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 地基應力

結構布置、受力情況對稱時，按下式計算：

∑G——閘室上豎向荷載，kN；

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

A——閘室基礎底面面積，m2；

W——閘室基礎底面垂直水流方向形心軸截面矩，m3。

結構布置、受力情況不對稱，可按下式計算：

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

Wx、Wy——閘室基礎底面對于形心軸x、y的截面矩，m3。

4.2 應力不均勻系數

應力不均勻系數可按下式計算：

式中Pmax——閘室基底應力的最大值，kPa；

Pmin——閘室基底應力的最小值，kPa。

4.3 閘室抗滑穩定系數

閘室抗滑穩定系數可按下式計算：

∑H——閘室上全部水平荷載，kN。

4.4 閘室抗浮穩定系數

閘室抗浮穩定系數可按下式計算：

式中 ∑V——閘室向下鉛直力的和，kN；

∑U——閘室基底面上揚壓力，kN。

5 結 語

張巷浜節制閘位于運西片區內，隸屬仙蠡橋水利樞紐附屬工程。伴隨運西片防洪體系建設，節制閘運行工況產生較大變化，需對其進行拆建改造。本文針對節制閘改造工程中的問題，從改造工程概況、閘底板結構計算、閘室穩定計算三個方面對改造中的結構計算進行分析，論證了計算方法，闡明了計算過程，以期為類似節制閘改造提供借鑒。

張巷浜節制閘防洪標準為200年一遇，工程地震設計烈度為Ⅵ度，可不進行抗震計算。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級水工建筑物。節制閘凈寬20m，以閘門為界，閘室分上下游段，分別設計地板高程和厚度。

根據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，依據受彎構件的剪力分布進行分配，采用積分法確定閘墩和底板的剪力分配系數。選定節制閘代表性受力部位，分別計算均布荷載、集中荷載、邊荷載。核定結構中梁的柔性指數，采用郭氏表法計算閘室底板彎矩。分析改造工程的混凝土、鋼筋條件，計算受彎承載力和裂縫寬度，驗證其是否滿足強度要求。

依據《水閘設計規范》(SL 265—2001)要求，閘室穩定應滿足：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、抗浮穩定安全系數大于規定容許值。本文分別列舉了推薦的地基應力、應力不均勻系數、閘室抗滑穩定系數、閘室抗浮穩定系數計算方法。

[1] 雷瑩. 劉家道口節制閘閘墩鋼模板結構設計[J]. 水利水電施工, 2012(3):25-26.

[2] 汪貴紅. 蚌埠閘節制閘抗震復核計算與分析評價[J]. 江淮水利科技, 2004(2):34-35.

[3] 許尚偉. 預應力混凝土閘墩結構計算分析研究[D]. 濟南: 山東大學, 2010.

[4] 姜楠. 松北水城天璣湖進水閘應力分析與結構計算[J]. 黑龍江水利科技, 2013, 41(6):64-65.

[5] 鄭彩霞. 平原地區水閘設計優化理論分析[D]. 濟南: 山東大學, 2006.

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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