水工弧形閘門支座扇形配筋方法★

陶警圓 張?jiān)獫?/p>

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

溢洪道閘室弧形閘門的正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)大壩工程的蓄水和泄洪，是影響水電工程安全的重要組成部分。弧形閘門支座是閘門所傳遞水荷載的直接受力部位，其結(jié)構(gòu)的可靠性就顯得尤為重要，然而由于弧形閘門支座的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，受力情況復(fù)雜，該部位的結(jié)構(gòu)配筋較難精確計(jì)算，本文以猴子巖水電站溢洪洞弧形閘門支座為例，采用有限元法求得截面內(nèi)力，根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積，確定承載力所要求的配筋數(shù)量，來(lái)探討水工弧形閘門支座的有限元配筋方法。

1 有限元法配筋計(jì)算原理

采用大型通用有限元計(jì)算軟件Ansys計(jì)算分析得到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)，在后處理時(shí)，選取高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力最大斷面的應(yīng)力路徑，進(jìn)行應(yīng)力路徑積分。根據(jù)積分得到的彈性拉力值，然后根據(jù)規(guī)范進(jìn)行配筋計(jì)算。

有限元配筋計(jì)算中可認(rèn)為斷面的拉力值全部由鋼筋來(lái)承擔(dān)，配筋量采用有限元計(jì)算成果，參考其他工程經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)規(guī)范，對(duì)截面上的拉應(yīng)力進(jìn)行積分，得到各斷面的拉力值，受拉鋼筋截面配筋面積As滿足下式要求：

其中，σt為截面環(huán)向拉應(yīng)力；As為單寬鋼筋配筋面積；T為截面單寬彈性總拉力；l為拉應(yīng)力區(qū)分布長(zhǎng)度；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360 N/mm2；γd為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.20。

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)法配筋計(jì)算方法

根據(jù)規(guī)范DL/T 5057—2009水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的第13.10.2節(jié)，閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積應(yīng)滿足下列公式要求：

閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)：

3 工程實(shí)例分析

以猴子巖水電站為例[1]，分別采用有限元法和結(jié)構(gòu)力學(xué)法，進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

根據(jù)猴子巖溢洪洞進(jìn)水口閘室的三維有限元計(jì)算成果[2]，最不利工況為額定啟門力瞬時(shí)工況，僅針對(duì)此工況的應(yīng)力進(jìn)行配筋計(jì)算。

3.1 有限元法

最不利情況即不考慮后面山體的承托作用，支鉸梁后面臨空，閘門對(duì)支鉸梁的推力全部由邊墻承擔(dān)。有限元計(jì)算成果表明，大梁支鉸兩端邊墻附近出現(xiàn)了扇形分布的拉應(yīng)力區(qū)，最大值約為4.44 MPa。

邊墻處扇形筋配筋計(jì)算：取單位長(zhǎng)度邊墻進(jìn)行分析，取出兩個(gè)截面的應(yīng)力分布圖如圖1，圖2所示，按路徑積分得出各截面的拉力值，按積分結(jié)果作為配筋依據(jù)，積分結(jié)果見表1。

表1 積分結(jié)果 kN

左側(cè)邊墻配筋(Path2)：

As=Tnγd/fy=4 035×1 000×1.2/360=13 450 mm2。

右側(cè)邊墻配筋(Path1)：

As=Tnγd/fy=5 357×1 000×1.2/360=17 857 mm2。

實(shí)際情況，支鉸梁后面有山體傳遞了大部分的推力荷載，邊墻只承擔(dān)一小部分荷載，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，取邊墻承擔(dān)荷載的系數(shù)為0.2，則左側(cè)邊墻單寬的配筋面積為13 450×0.2=2 690 mm2，右側(cè)邊墻單寬的配筋面積為17 857×0.2=3 571.4 mm2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并參考類似工程的扇形筋布置方式，擬定邊墻配單層扇形筋53根φ32，夾角為1°。

3.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)法

閘室邊墻結(jié)構(gòu)示意見圖3。

水庫(kù)正常蓄水位閘門開啟泄洪時(shí)，啟門初期支座受力最大，此時(shí)支鉸推力標(biāo)準(zhǔn)值為Fs=31 000 kN，設(shè)計(jì)值為：

F=γG×γ0×ψ×Fs=

1.2×1.1×0.95×31 000×1 000=3.89×107N。

邊墻所受的推力設(shè)計(jì)值為3.89×107N×0.2=7.78×106N，γd=1.2，初擬配筋結(jié)果為：鋼筋直徑32 mm，呈扇形布置，每根鋼筋?yuàn)A角1°，共53根，在支鉸最大受力方向兩側(cè)各26°布置，Asi=804.2 mm2，fy=360 N/mm2，θi=1°×i。

計(jì)算結(jié)果如下：

說(shuō)明扇形鋼筋強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算結(jié)果如下：

說(shuō)明扇形鋼筋強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力、通過(guò)進(jìn)行應(yīng)力積分的配筋方法能夠滿足設(shè)計(jì)要求，并且能更加直觀地反映應(yīng)力分布規(guī)律與鋼筋布置型式之間的關(guān)系，運(yùn)用到閘門支座扇形配筋上可以很好的模擬工程實(shí)際，計(jì)算結(jié)果能夠滿足規(guī)范的要求，對(duì)弧形閘門支座的配筋設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。