變截面底板在大孔徑活動堰中的應用研究

李 昱，高興和，呂 犇，孫鵬明

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103)

閘室底板作為整個閘室結(jié)構(gòu)的基礎，是全面支承在地基梁且受力條件復雜的彈性基礎板。此結(jié)構(gòu)體系嚴格上應按照空間問題對其應力分布進行分析，不過此計算較為繁瑣，工程上常采用“截板成梁”的方法將其簡化為平面問題，采用有限元計算軟件按彈性地基梁法對底板彎矩進行計算，從而選定合適的底板結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)合諸多閘室底板的設計經(jīng)驗，底板彎矩一般呈中間大，兩邊小的分布規(guī)律，對于小孔徑活動堰，綜合考慮設計施工的便利性，多采用矩形底板的結(jié)構(gòu)型式。

隨著河道控導建筑物的景觀提升要求，單孔大凈寬活動堰在蘇南地區(qū)河道中應用越來越多。對于大孔徑活動堰而言，受兩邊荷載傳遞的影響，跨中彎矩一般較大，按常規(guī)設計所需的底板較厚，增加了工程建設投資，也增加了大體積砼的澆筑施工難度。

為了解決上述問題，目前各單位主要采用后澆帶、底板內(nèi)部開洞等設計思路，但是后澆帶施工質(zhì)量不易控制、底板內(nèi)部開洞增大鋼筋用量等弊端還沒有很好地解決辦法。本文以太倉市主城區(qū)水質(zhì)提升控導工程為例，分析了采用變截面的底板結(jié)構(gòu)型式對于工程造價以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用變截面的底板型式可以有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力，降低大體積砼的施工難度，并節(jié)省工程投資，具有重大的推廣意義與價值。

1 工程概況

太倉市主城區(qū)水質(zhì)提升控導工程是太倉市主城區(qū)暢流活水工程之一，是保障入城水質(zhì)、實現(xiàn)入城水量可控的重要工程，是滿足“二環(huán)”內(nèi)主城區(qū)先期活水需求的核心內(nèi)容之一?？貙Чこ虒⒃谑烁蹡|岸及鹽鐵塘東岸現(xiàn)狀敞開的口門新建控制建筑物，使楊林塘水可通過十八港、湖川塘流向西南部的中心城區(qū)而不向東流失，滿足引水期間目標區(qū)域的水動力提升要求。按實施主體不同，14座活動堰分為5座水務局實施項目和9座高新區(qū)實施項目，單孔凈寬分別為8、12、16、20、28m。本文擬抽取12、16、20、28m凈寬活動堰各一座進行計算對比分析。

2 底板結(jié)構(gòu)設計

2.1 計算方法和思路

活動堰底板結(jié)構(gòu)計算是按平面有限元的思想，用AutoBank建模進行計算，得出底板彎矩分布圖后按照規(guī)范進行配筋計算。

2.2 計算假定及邊界條件

(1)閘室可簡化為“U”型結(jié)構(gòu)進行計算。

(2)活動堰穩(wěn)定計算是在各土層土質(zhì)均勻的前提下進行。

2.3 計算荷載的選取

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，閘室主要承受的水平荷載為順水流方向的水壓力、地震動水壓力、地震慣性力等；豎向荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、水重、揚壓力等。

2.4 變截面底板的尺寸確定

變截面底板參數(shù)主要包括底板厚度h1、空箱側(cè)底板厚度h2、底板底部固定段a以及底板變化段長度b，如圖1所示。

圖1 變截面底板結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

底板厚度h1主要根據(jù)各工況跨中最大彎矩確定，具體方法為初步擬定常規(guī)的底板厚度，采用AutoBank建模計算得出底板彎矩分布圖，經(jīng)過配筋計算分析底板厚度是否合適，如不合適需重新擬定h1重復進行計算?？障鋫?cè)底板厚度h2及底板底部固定段a的確定主要依據(jù)彎矩計算結(jié)果圖，需經(jīng)過一定的試算。

2.5 算例

初步擬定活動堰底板厚度為2.8m，底板總長39m，固定段長度為12m，考慮到空箱側(cè)彎矩一般較小，綜合考慮施工的方便性以及結(jié)構(gòu)安全富余，可取為0.8m。

經(jīng)過計算，底板最大彎矩為為3610kN·m，截面變化處彎矩為2940kN·m，如圖2所示。對底板結(jié)構(gòu)按照SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》進行配筋計算，最終結(jié)果見表1。

圖2 活動堰底板彎矩圖(單位：kN·m)

表1 28m活動堰配筋計算結(jié)果表

3 不同型式的底板對比分析

3.1 底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力

閘室底板內(nèi)力的大小取決于作用在閘室結(jié)構(gòu)上的荷載、空箱側(cè)回填土的邊載以及地板下土體的性質(zhì)。為了更直接對比底板型式對活動堰內(nèi)力的影響，本文擬在相同地質(zhì)及荷載條件下，研究同一底板厚度時不同型式底板內(nèi)力變化情況，結(jié)果見表2(以跨中最大彎矩為參考對象)。

表2 不同型式的底板最大彎矩匯總表

由表2可知，同底板厚度時，變截面底板的跨中最大彎矩值均小于普通矩形底板。這是因為變截面底板邊側(cè)厚度較薄，基坑開挖深度小，回填的邊載也較小。對于底板而言，其結(jié)構(gòu)尺寸主要受內(nèi)力計算結(jié)果所控制，其中又以底板面層彎矩最為重要，由于變截面型式的底板跨中最大彎矩更小，故底板內(nèi)力結(jié)構(gòu)更有利。

3.2 底板工程造價

相同底板厚度時(跨中厚度)，不同型式的底板工程造價差別主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是截面變化節(jié)省了砼工程量，直接減少了工程造價投資；另一個方面，對于大跨徑底板而言，底板較厚，所采用的砼量較大，大體積砼的溫控措施費較高，變截面底板可以有效減少砼的澆筑量，節(jié)約大體積砼的溫控措施費。

不同型式的各活動堰底板工程量見表3。

表3 不同型式的底板工程量匯總表

由表3可知，變截面底板比常規(guī)矩形底板節(jié)約10%以上的工程量，且差值占比隨著活動堰凈寬的增加而加大。原因是隨著活動堰凈寬的增大，底板的厚度越厚，采用變截面底板的優(yōu)勢更明顯。

此外，變截面邊側(cè)基坑開挖深度更淺，所需的開挖面更小，臨時征地面積以及土方量都相應減少，工程造價顯著降低。

4 結(jié)論

(1) 當?shù)装搴穸?跨中厚度)相同時，變截面底板比常規(guī)矩形底板的結(jié)構(gòu)內(nèi)力更小。

(2) 采用變截面底板，可以有效減少底板的工程量，有利于大體積砼的溫度裂縫控制，且減小基坑開挖深度，節(jié)約臨時工程成本。

(3) 變截面底板的優(yōu)勢隨著活動堰凈寬的增加而加大，實際工程運用中，大孔徑活動堰宜采用變截面底板的型式，既能優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力，又能節(jié)約工程投資。

(4) 文章僅簡單對比了同工況下跨中最大彎矩，實際運用過程需對各工況內(nèi)力情況進行計算，形成彎矩包絡圖，并按其進行配筋。