扶壁整體式閘室結構計算分析研究

◎ 劉靈靈 交通運輸部水運科學研究院

1.引言

船閘閘室通常采用混凝土或鋼筋混凝土結構，一般由閘室墻和閘室底板兩部分組成。按照閘墻和底板之間的連接關系，分為整體式結構和分離式結構[1]。土基上的閘室墻常用結構型式有整體塢式、塢式雙鉸、重力式、懸臂式和扶壁式。

鋼筋混凝土整體式結構為一種閘墻與底板連接在一起的閘室結構型式，通常指鋼筋涯凝土塢式結構。另有一種鋼筋混凝土懸臂式閘室結構，在底板的中間分縫，每側的底板與閘墻整體受力，通常將這種型式也列入整體式結構。鋼筋混凝土整體式結構具有結構整體穩定性好、對地基適應性較強、結構混凝土工程量較少等優點，但同時也存在閘室底板鋼筋用量較大、施工技術要求較高等缺點。鋼筋混凝土整體式結構一般適用于設計水頭及閘室寬度均較小、基礎地質條件較差的情況。如漢江王甫洲船阿(以下簡稱王甫洲船閘)設計水頭10.8m，閘室寬度12.0m，地基為石閘室采用鋼筋混凝土整體式結構[2-3]。

2.閘室布置情況

閘室采用整體式結構，全長25m，寬12m，墻頂高程534.2m，底高程528.0m，底板厚1.0m，頂部現澆厚0.6m的鋼筋砼閘墻，閘墻頂部高程534.2m。墻后填土高程534.2m[4]，閘室斷面圖如圖1所示。

圖1 閘室斷面圖

3.主要計算參數

（1）回填土參數。

根據本項目所在地的地質情況，土壓力計算采用等代指標。

水上：γ=19.0kN/m3，Ψ=30°，C=0；

水上：γ浮=10.0kN/m3，Ψ=27°，C=0；

γ飽和=20.0k N/m3，Ψ=27°，C=0。

（2）材料容重。

混凝土：24.0kN/m3；鋼筋混凝土：25.0kN/m3；漿砌塊石：23.0kN/m3。

（3）混凝土底板與土基摩擦系數。

一般地基非淤泥土情況下:

f=0.35。

（4）地基參數。

地基變形壓縮模量

E0＝30000kN/m2，

泊松比μ0＝0.3。

（5）船舶系纜力、撞擊力。

按照船閘規范系纜力采用25kN。

船舶撞擊力:閘室采用50kN。

（6）風荷載。

W0=0.6kN/m2。

（7）地面活荷載。

采用均布荷載：4kPa。

4.閘室結構計算

4.1 閘室整體式結構計算

根據閘室結構型式和尺寸，針對不同的設計工況，分別進行整體穩定驗算和地基反力計算，計算結果詳見表1和表2。

表1 整體穩定性計算結果表

表2 地基應力值表

由表2可知，各種工況下，扶壁整體式擋土墻的地基應力值均小于第③層圓礫層的地基承載力特征值400kPa。

4.2 閘室整體式結構內力計算

結構內力計算采用MIDAS/Gen有限元軟件計算。

設計低水位計算結果見圖2 至圖8。

圖2 設計低水位-底板Mxx彎矩

圖3 設計低水位-底板Myy彎矩

圖4 設計低水位-底板Vxx剪力

圖5 設計低水位-底板Vyy剪力

圖6 設計低水位側墻Myy彎矩1

圖7 設計低水位側墻Myy彎矩2

圖8 設計低水位肋板Myy彎矩

設計高水位計算結果見圖9至圖14。

圖9 設計高水位-底板Mxx彎距

圖10 設計高水位-底板Myy彎矩

圖11 設計高水位-底板Vxx剪力

圖12 設計高水位-底板Vyy剪力

圖13 設計高水位側墻Myy彎矩1

圖14 設計高水位側墻Myy彎矩2

計算結果表明，整體穩定安全系數均能滿足規范要求，最大地基反力小于允許承載力。

5.結語

整體式閘室是船閘閘室主要采用的結構型式之一，閘室結構內力的計算是整個結構設計的重要組成部分。本文利用有限元軟件MIDAS/Gen建立閘室結構空間有限元模型對結構進行計算分析，為相關工程設計提供更準確的結構受力狀況，建議工程設計時，根據各構件的受力情況對其強度及尺寸進行合理的調整。