悅來泵站沉箱進水口封堵鋼板設計

郝春付，耿賀松

(1.樺川縣水務局，黑龍江樺川154300;2.黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

樺川縣悅來新建泵站工程位于松花江下游右岸凹岸處，主廠房基礎采用沉井結構，前池由U字型廠房沉井三面圍成，共9臺機組，9個進水口。由于在廠房內部施工過程中，沉箱內必需常期處于干燥狀態，因此在地面沉箱制作時要用鋼板對進水口進行嚴密封堵，并確保安全可靠。

1 進水口土壓力計算

前池地表以下均為砂土，干密度γ=1.74 t/m3，飽和密度γm=2.09 t/m3，水密度取γω=1 t/m3，砂土浮密度γ'= γm－γω=1.09 t/m3。地表面高程75.10 m，常年地下水位高程72.00 m，進水口頂高程67.42 m，底高程65.42 m，進水口尺寸為3m×2m。

由于沉箱下沉到位后，四周均受土壓力且處于平衡狀態，因此進水口封堵鋼板可按靜止土壓力，并取這一最大受力狀態進行計算，靜止土壓力系數k0取0.7。各點及總土壓力計算如下:

圖1 進水口土壓力示意圖

式中:Pω為圖1中D點水壓力;PB、PC、PD為圖1中相應各點土壓力;P0為面板下部區格中心點的飽和土壓強度;P為封堵鋼板單位寬度總土壓力，因為孔口較深，門頂與門底的水壓強度差值相對較小，可近似認為P作用在進水口的中心位置;H1、H2、H3、H4均為圖示各土層厚度。

圖2 進水口封堵塞示意圖

2 封堵鋼板結構設計

2.1 設計資料

孔口凈寬:3.00 m;孔口凈高:2.00 m;結構材料:Q235;焊條:E43;止水橡皮:孔口四周止水用條形橡皮;混凝土強度等級:C25。

2.2 梁格的布置形式

梁格用來支承面板，以減少面板跨度而達到減少面板厚度的目的。為了充分發揮材料的作用來抵抗彎距和撓度，采取增大主梁的高度比增加主梁數目的效果要好。當孔口跨度較大，而高度較小時(L≥1.5 H)，主梁的數目一般應減小到兩根，因此按本例孔口尺寸，可采用雙主梁雙次梁等間距布置，即兩根水平向的主梁和兩根豎直向的次梁均對稱的分布于荷載P作用點(孔口中心點)的兩側，呈井字梁形式，如圖所示，其中豎直次梁可采用橫隔板來代替。

2.3 估算面板厚度

按圖示的梁格布置，共分9個區格，各區格都是四端固定，尺寸相同，只是受力狀況不同，顯然最下面的3個區格所受壓力最大，所需面板較厚，應作為面板厚度設計標準。

式中:t為面板厚度;k為四邊固定矩形彈性薄板在支承長邊中點的彎應力系數，可按《水工鋼結構》附錄九表2查得k= 0.454;P0為面板計算區格中心的飽和土壓強度;a、b為面板區格的短邊和長邊的長度;α為彈塑性調整系數，當b/a≤3時，α=1.5;［σ］為鋼材的抗彎容許應力，Q235鋼材［σ］=160 N/mm2;

2.4 主梁設計

主梁跨度:L=3m，主梁間距2/3 m，每根主梁荷載:q= P/2=27.23/2=13.62 t/m，橫向隔板間距:1.0 m，主梁容許撓度［ω］=L/750

2.4.1 截面選擇

1)彎矩與剪力。為偏于安全，可按簡支梁計算，

2)需要的截面模量。已知Q235鋼的容許應力［σ］= 160 N/mm2，考慮鋼板自重引起的附加應力作用，取容許應力為［σ］=0.9×160=144 N/mm2，則需要的截面模量為

3)腹板高度的選擇。按剛度要求的最小梁高為

式中:E為鋼材的彈性模量E=206×103N/mm2=2.06×107N/cm2;經濟梁高hec=3.1W2/5=3.1×1063.892/5=50.36cm

由于橫向隔板重量將隨主梁增高而增加，故主梁高度宜選得比hec小，但≥hmin。

現選用腹板高度h0=40cm。

4)腹板厚度的選擇。按經驗公式計算:

選用

5)翼緣截面選擇。每個翼緣需要截面為

翼緣厚度選用t1=1.5cm(符合鋼板規格)，需要15 cm(在

對于封堵鋼板，主梁一般選用成品型鋼，然后進行強度等校核。根據以上數據選用熱扎普通工字鋼，型號為40a，相應截面特性參數可由表中查得。

6)彎應力強度驗算。最大應力發生在主梁跨中截面，只需對該截面進行應力驗算。查表可知40a型工字鋼截面模量為Wx=1085.7cm3，彎應力為14.11KN/cm2＜0.9×16=14.4KN/cm2(安全)

7)整體穩定性與撓度驗算。因主梁上翼緣直接同鋼面板相連，按規范規定可不必驗算整體穩定性。又因梁高大于按剛度要求的最小梁高，故梁的撓度也不必驗算。

2.4.2 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力的驗算。

估算出面板厚度并選定主梁截面后，考慮到面板本身在局部彎曲的同時，還隨著主梁受整體彎曲的作用，則面板為雙向受力狀態，故應按強度理論對折算應力進行驗算。

對于四邊固定的面板，根據理論分析和試驗結果可知，在均布荷載作用下最大彎矩發生在面板支承邊的長邊中點處。通過上述梁格布置，各區格都是四端固定，尺寸相同，只是受力狀況不同，顯然最下面的三個區格所受壓力最大，所需面板較厚，這意味著該區格的長邊中點應力也較大，所以選取下部3個區格之一驗算其長邊中點的折算應力。

區格在長邊中點的局部彎曲應力:

對應于面板區格在長邊中點的主梁彎距和彎應力

折算應力

故面板厚度選用12 mm，滿足強度要求。式中σmy為垂直于主梁軸線方向、面板區格的支承長邊中點的局部彎曲應力;σmx為面板區格沿主梁軸線方向的局部彎應力，其中μ為泊松比，取μ=0.3;σ0x為對應于面板驗算點的主梁上翼緣的整體彎曲應力;其他符號同前;σmy、σmx、和σ0x的取值均以拉應力為正號，壓應力為負號。

2.5 橫隔板設計

橫隔板同時兼作豎直次梁和橫向加勁肋，以保證主梁腹板局部穩定，它同樣承受面板傳來的分布荷載，可按構造要求進行設計。它的截面高度與主梁截面高度相同。隔板厚度通常不大于8～10 cm。因為有面板的存在，橫隔板可不另設上翼緣，其下翼緣一般用寬度為100～200 mm、厚度為10～12mm的扁鋼做成。這種由構造要求確定的尺寸，使橫隔板的應力很小，可不進行強度驗算。

3 封堵結構與鋼筋混凝土連接

3.1 埋件預留

在進水口混凝土澆注時要按圖示位置預留相應型號(M30YG型)脹錨螺栓，螺栓間距為20 cm。還要按圖示位置在每個進水口預埋8塊400mm×400mm×2mm規格的鋼板，每塊鋼板上采用雙側連續焊縫的方法固定兩根￠25 U型錨筋，錨筋錨入混凝土長度≥40 cm，同時還要將鋼板與墻外側筋進行焊接。

3.2 鋼板與混凝土的連接

鋼板與混凝土搭接部分為20 cm寬，因此鋼板的實際尺寸為3.4m×2.4m。鋼板與混凝土之間要嵌入一圈20cm寬相應規格的橡膠止水帶，然后將鋼板及止水帶相應位置打孔后用預埋螺栓與混凝土擰緊壓牢，可保密封效果。

3.3 梁格與混凝土的連接

按上述選定的主梁型號及橫隔板截面尺寸，將主梁與橫隔板及整個井字梁與封堵鋼板之間采用連續焊縫的方法焊牢，這樣梁的整體穩定性可得到保證。主梁及橫隔板的端部與上述8塊預埋鋼板也要采用連續焊縫的方法焊牢，則井字梁可與進水口四周鋼筋混凝土構成一體，共同抵抗由面板傳來的荷載。

［1］錢家歡.土力學［M］.江蘇:河海大學出版社，1988.

［2］范崇仁.水工鋼結構［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.