溪洛渡水電站泄洪洞工作閘門室中室樓板承重桁架受力分析

韓金濤，鄭 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司溪洛渡施工局，四川雷波 616550)

1 概述

溪洛渡水電站泄洪洞工作閘門室單個閘室長36m、寬18m、高61m，下室底板高程為540m、中室底板高程為578m、頂部高程為601m，1#、2#泄洪洞工作閘門室總長79m，下部底板為左岸泄洪洞有壓段、無壓段混凝土施工通道，自身混凝土施工與金屬結構安裝穿插進行，單個工作閘門室中室承重排架搭設鋼管重量在200t以上，同時受下部施工通道和空間制約，無法一次性搭設，材料倒運困難，安全風險突出，加之與金屬結構安裝干擾及業主交面進度要求，必須采取既能滿足中室樓板承重要求，又不影響下部施工場地空間的方案予以解決。

結合設計圖紙及現場綜合因素，我們擬定了采用承重桁架做支撐澆筑中閘室樓板方案，以解決上述施工難題。承重桁架支座埋設于中室樓板下部的邊墻混凝土中，桁架事先加工完成，現場采用吊裝方案，本工程承重桁架間距采取1.5m。

2 承重桁架的選型及結構設計

桁架結構的選型:應考慮建筑的用途、建筑造型、屋面防水構造、屋架的跨度、結構材料的供應、施工技術等因素以及各種桁架的特點與適用范圍，并做到受力合理、技術先進、經濟適用。結合溪洛渡水電站泄洪洞中閘室樓板的跨度及周邊建筑物空間位置限制，選定承重桁架為矩形桁架，并根據施工布置方案，將其尺寸(高×長)選定 為1.2m ×13.8m(兩側各縮進0.1m)，結構設計為對稱桁架，1m一個節點(圖1、2)。

圖1 桁架樣式(一)側視圖

圖2 桁架樣式(二)側視圖

3 桁架結構受力分析與計算

在承重桁架中，上下弦桿及腹桿是整個桁架結構中最重要的部件，對其的受力分析正確與否直接關系到承重桁架運行的成敗。為盡可能使受力情況反映實際，確保運行安全，結合混凝土澆筑的具體情況，對上下弦桿及腹桿的受力情況進行了分析計算。

3.1 荷載分析

根據承重桁架在本工程的施工布置得知，單個承重桁架的受力面寬度為1.5m，再根據施工工況可知其上方恒荷載 P混凝土=25kN/m2，P模板=0.3kN/m2，P縱梁=0.2kN/m2，即 P恒=25.5 kN/m2，澆筑時動荷載取P動=2kN/m2。

綜上得單個鋼桁架上的線荷載為q設=(1.2×25.5+1.4 ×2)× 1.5=50.1(kN/m)。q標=(25.5+2)×1.5=41.25(kN/m)。

根據桁架結構特點，其受力情況見圖3。

圖3 桁架受力圖

此桁架上弦受壓、下弦受拉，根據其結構特點可知桁架中點C＇受壓最大，受力簡圖見圖4。

圖4 桁架受力簡圖

此桁架作用跨度為14m，結構設計尺寸為1 m一節點，高1.2m，長13.8m(兩端各縮進10 cm)。在此，我們用荷載的設計值設計桁架材料，用標準值校核桁架的撓度。

3.2 上下弦選材

此桁架為對稱結構，根據上述可得出支座反力 FA=FB=350.7(kN)，F=50.1N。

對C點取矩，有Mc=0，可推得:

［(1+6)×6/2］× F+F/2 ×6.9+N＇C×1.2=FA×6.9，推得 NC＇=995.74(kN)。

由［σ］=215N/mm2，推得桁架上弦材料的截面面積 A=NC＇/［σ］=46.31(cm2)。

查表可知，可采用兩塊18a槽鋼(單塊18a槽鋼截面面積為25.7cm2)可靠焊接并在中間加焊18cm×12mm鋼板以增加其截面抵抗矩。

3.3 豎腹桿選材

桁架結構桿件均為二力桿，易知桁架垂直連接桿的內力N直=50.1kN。

擬采用10#槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即 λmax=1.2 ×100/1.41=85，查表得 ψ =0.655，又查表得其 A=12.7cm2;由 σ =Nmax/ψ ×A=50.1 ×1000/(0.655 ×12.7 ×100)=60.23 ＜215(N/mm2)，即10#槽鋼滿足豎腹桿的受力要求。為加強桁架受力，本次在每一處節點都增設了豎腹桿。

3.4 斜腹桿選材

(1)兩側①、②斜腹桿。

桁架斜桿選材，易知桁架兩端斜腹桿內力最大，取①、②桿分析，其受力簡圖見圖5。

圖5 斜腹桿受力簡圖

根據受力圖5(a)，對H點取矩，由Mh=0，可推得:

Nf＇×1.2+F ×1+1.9 × F/2=FA×1.9

推得 Nf=473.86N。

根據受力圖5(b)，對E點取矩，取 Nf=Nd，由Me=0，可推得:

Nd＇×1 .2+N斜×1.2 ×1/+0.9 ×F/2=FA×0.9。

推得N斜=－358.68kN，即其方向與圖示相反。

對于AD斜桿，其受力情況如圖6所示。

本工程腹桿按最大內力取Nmax=423.90kN，本桁架斜桿長度為1.56m，本次擬取200mm×125mm×14mm的不等邊角鋼，取角鋼最不利受力軸，即 λmax=1.56 ×100/2.73=57，查表得 ψ =0.823;查表得 A=43.9cm2。

圖6 斜桿受力簡圖

根據單面連接單角鋼強度折減，本工程取【σ】＇=0.7 ×215(N/mm2)。

由σ =Nmax/ψ ×A=423.9 ×1000/0.823 ×43.9 × 100=117.33 ＜ 0.7 × 215=150.5(N/mm2)，得知200mm×125mm×14mm的不等邊角鋼滿足本桁架兩側①、②號斜腹桿的最大受力。

(2)③、④號斜腹桿受力情況見圖7。

圖7 斜腹桿受力示意圖

根據受力圖(a)，對G點取矩，有Mg=0，可推得:

推得 N=807.86kN。

根據受力圖(b)，對J點取矩，取N=N’，有Mj=0，可推得:

推得N④=－228.25kN，即其方向與圖示相反。

對于K點，其受力簡圖見圖8。

圖8 K點受力簡圖

對于斜腹桿④，擬采用16a槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即 λmax=1.56×100/1.8=87，查表得 ψ =0.641，又查表得其 A=21.9cm2，由 σ =Nmax/ψ ×A=293.47 ×1000/(0.641 ×21.9×100)=209.06 ＜215N/mm2。

即16a槽鋼滿足斜腹桿④的受力要求。但根據桁架受力特點及安全考慮，本次斜腹桿③、④采用與斜腹桿①、②一樣的200mm×125mm×14 mm的不等邊角鋼。

(3)⑤、⑥、⑦號斜腹桿。

綜上同理，可得⑤、⑥、⑦號斜腹桿的內力為N⑤=163.77kN，N⑥=98.26kN，N⑦=32.63kN。

對于斜腹桿⑤，擬采用14a槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即:

λmax=1.56 ×100/1.71=91，查表得 ψ =0.614，又查表得其 A=18.5cm2。

σ =Nmax/ψ × A=163.77 × 1000/(0.614 ×18.5 ×100)=144.18 ＜215N/mm2。

即14a槽鋼滿足斜腹桿⑤的受力要求，斜腹桿⑥與斜腹桿⑤采用同樣的14a槽鋼。

對于斜腹桿⑦，擬采用10#槽鋼做豎腹桿，取槽鋼最不利受力軸，即:

λmax=1.56 ×100/1.41=111，查表得 ψ =0.487，又查表得其 A=12.7cm2。

由 σ =Nmax/ψ ×A=32.63 ×1000/(0.426 ×12.7 ×100)=52.76 ＜215N/mm2。

即10#槽鋼滿足斜腹桿⑦的受力要求。

3.5 剛度校核

將鋼桁架作為整體，其節點處集中力指向相同(圖9)，即知桁架跨中處撓度最大。又鋼桁架為對稱結構，受力也為對稱作用力，由疊加原理可得:

圖9 鋼桁架整體受力圖

式中 I為鋼桁架截面對主軸X軸的慣性矩，即I=2(2I18a+(h/2)2 ×2A)=4I18a+Ah2，本慣性矩算法忽略了腹桿的變形影響，由18a槽鋼的截面特性可知 I18a=1273cm4，A=25.7cm2，且桁架高h=1.2m，即推得 I=375172cm4。

又 F=41.25kN，E=2.1 ×105N/mm2。

綜上可推得 Wmax=0.0226+0.003=0.0256m=25.6mm ＜ l/500=28mm，即滿足安全運行要求。

4 結語

本工程承重桁架材料均采取設計過程計算選出，在剛度校核中忽略了腹桿的變形影響且以桁架作用跨度作為計算跨度，從而增加了承重桁架整體安全裕度。承重桁架自加工完成后成功運用于本工程中閘室兩個樓板的澆筑施工，加快了中閘室整體施工進度，取得了良好的效果。