水閘整體式平底板內(nèi)力影響因素淺析

韓 菲

（陜西江漢水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710016）

水閘底板是整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，受力情況復(fù)雜，內(nèi)力影響因素眾多。根據(jù)底板受力特點(diǎn)，通常在垂直水流方向截取單位寬度板條，按平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)往往比較關(guān)注底板結(jié)構(gòu)計(jì)算，而對(duì)底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化重視不足。所以有必要對(duì)底板內(nèi)力影響因素進(jìn)行探討，為底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一些幫助。本文結(jié)合TH水閘工程，對(duì)水閘整體式平底板內(nèi)力影響因素進(jìn)行分析。

1 計(jì)算依據(jù)

TH水閘共有10孔，每孔設(shè)布置一扇平面鋼閘門(mén)擋水。閘室為兩孔一聯(lián)整體式平底板結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土防滲墻防滲。根據(jù)地質(zhì)資料，閘基覆蓋層厚度為26 m，按結(jié)構(gòu)、成因和組成劃分為兩層，加權(quán)平均后地基變形模量為110 MPa。閘址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，場(chǎng)地內(nèi)不存在地基土液化問(wèn)題。

計(jì)算閘段為中聯(lián)兩孔一聯(lián)，相鄰閘段與計(jì)算閘段結(jié)構(gòu)相同。閘段順?biāo)鏖L(zhǎng)16 m，閘孔凈寬7 m，底板厚1.5 m，中墩和縫墩寬1.2 m，閘墩高8.5 m，正常擋水時(shí)閘室水深6.0 m。閘段垂直水流方向長(zhǎng)17.6 m，則彈性地基梁半梁長(zhǎng)為8.8 m，可壓縮土層厚度與彈性地基梁半長(zhǎng)之比2.95，因此假設(shè)地基為半無(wú)限大連續(xù)彈性體。

計(jì)算方法采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]推薦的彈性地基梁法[2]，重點(diǎn)對(duì)正常擋水工況閘室上游段底板進(jìn)行分析。閘室主要荷載為閘室自重、閘室上部荷載、水重、揚(yáng)壓力、邊荷載和不平衡剪力。兩側(cè)邊荷載范圍取1個(gè)閘段長(zhǎng)度，按均勻分布考慮。

2 影響水閘底板內(nèi)力的因素分析

2.1 地基變形模量影響分析

根據(jù)地基特點(diǎn)，假設(shè)地基變形模量分別取90 MPa、100 MPa、110 MPa和120 MPa。地基變形模量增加時(shí)，底板外部荷載大小不發(fā)生變化，計(jì)算得到閘室底板地基反力和彎矩結(jié)果如表1、表2所示。表中地基反力以地基受壓為正受拉為負(fù)，彎矩以梁下部受拉為正上部受拉為負(fù)，地基反力計(jì)算位置（彎矩計(jì)算截面）是計(jì)算位置（計(jì)算截面）到彈性地基梁中心的距離，L為彈性地基梁半長(zhǎng)。

表1 不同地基彈性模量地基反力計(jì)算結(jié)果

表2 不同地基彈性模量底板彎矩計(jì)算結(jié)果

由表1可知，靠近底板中間位置地基反力小，反之越大，在底板端部出現(xiàn)了較大的集中現(xiàn)象，最大和最小地基反力比值約7倍，這主要是由于郭氏查表法假設(shè)地基反力呈冪級(jí)數(shù)分布規(guī)律所致。同時(shí)可以看出，隨著地基彈性模量變化，地基反力值變化不顯著。

從表2可以看出，中墩附近底板下部受拉，跨中及邊墩附近底板上部受拉。隨著地基彈性模量變化，地基反力值變化不顯著。有資料認(rèn)為，地基變形模量誤差在30%以下時(shí)，對(duì)地基反力及彎矩并不發(fā)生影響[3]。

2.2 底板厚度變化對(duì)閘室底板內(nèi)力的影響

假設(shè)底板厚度分別取1.2 m、1.5 m、1.8 m和2.1 m。底板厚度變化時(shí)，底板均布荷載大小發(fā)生明顯變化，集中荷載大小變化很小，計(jì)算得到閘室底板地基反力和彎矩結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同底板厚度時(shí)地基反力計(jì)算結(jié)果

表4 不同底板厚度時(shí)底板彎矩計(jì)算結(jié)果

由表3可知，隨著底板厚度增大，地基反力明顯增大，梁端部反力增加幅度略大于梁中部。

從表4可以看出，隨著底板厚度增大，正彎矩明顯增大，負(fù)彎矩明顯減小，且正彎矩范圍不斷擴(kuò)大，說(shuō)明整個(gè)底板隨著厚度增加有由上部受彎向下部受彎變化的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)殚l底板厚度增大，彈性地基梁上均布荷載明顯增大，而集中荷載基本不變的緣故。

2.3 閘墩寬度變化對(duì)閘室底板內(nèi)力的影響

假設(shè)中墩和邊墩增加同樣寬度，閘墩寬度分別取1.0 m、1.2 m和1.4 m。閘墩寬度發(fā)生變化時(shí)，底板集中荷載大小發(fā)生明顯變化，均布荷載大小變化很小，計(jì)算得到閘室底板地基反力和彎矩結(jié)果如表5、表6所示。由于閘墩寬度不同，底板長(zhǎng)度發(fā)生變化，表中計(jì)算位置為底板長(zhǎng)度的相對(duì)位置。

表5 不同閘墩寬度時(shí)地基反力計(jì)算結(jié)果

表6 不同閘墩寬度時(shí)底板彎矩計(jì)算結(jié)果

由表5可知，隨著閘墩寬度增大，地基反力有所增大，但變化不顯著。

從表6可以看出，隨著閘墩寬度增大，負(fù)彎矩和正彎矩均有所增大。根據(jù)郭氏計(jì)算表，邊墩荷載增大使底板負(fù)彎矩增大，中墩荷載增大使底板正彎矩增大，中墩和邊墩增加相同寬度時(shí)底板集中荷載對(duì)底板中部彎矩影響不顯著。進(jìn)一步分析表明，由于閘墩寬度增加引起底板長(zhǎng)度增加，底板均布荷載產(chǎn)生的彎矩使底板中部正彎矩明顯增大。

3 結(jié)語(yǔ)

采用彈性地基梁郭氏查表法，對(duì)兩孔一聯(lián)整體式平底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)要分析了地基土變形模量、底板厚度和閘墩寬度等因素對(duì)閘室底板地基反力和彎矩的影響，得出以下結(jié)論：

（1）地基變形模量變化對(duì)地基反力和底板彎矩影響不顯著。

（2）底板厚度對(duì)地基反力和底板彎矩影響顯著，隨著底板厚度增大，底板有由上部受彎向下部受彎變化的趨勢(shì)。

（3）邊墩寬度增大引起底板負(fù)彎矩增大，閘墩寬度增加所導(dǎo)致的底板長(zhǎng)度增加是引起底板中部正彎矩增大的主要原因。

此次采用實(shí)際工程中常用算法對(duì)中聯(lián)閘室上游段底板進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，對(duì)水閘底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定參考價(jià)值。對(duì)于閘室整體結(jié)構(gòu)受力、和邊荷載對(duì)內(nèi)力影響還需進(jìn)一步分析。