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構的基礎，是全面支承在地基梁且受力條件復雜的彈性基礎板。此結構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構尺寸。結合諸多閘室底板的設計經驗，底板彎矩一般呈中間大，兩邊小的分布規律，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構型式。

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、底板內部開洞等設計思路，但是后澆帶施工質量不易控制、底板內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水質提升控導工程為例，分析了采用變截面的底板結構型式對于工程造價以及結構內力的影響。研究發現，采用變截面的底板型式可以有效優化結構內力，降低大體積砼的施工難度，并節省工程投資，具有重大的推廣意義與價值。

1 工程概況

太倉市主城區水質提升控導工程是太倉市主城區暢流活水工程之一，是保障入城水質、實現入城水量可控的重要工程，是滿足“二環”內主城區先期活水需求的核心內容之一。控導工程將在十八港東岸及鹽鐵塘東岸現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而不向東流失，滿足引水期間目標區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 底板結構設計

2.1 計算方法和思路

活動堰底板結構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”型結構進行計算。

(2)活動堰穩定計算是在各土層土質均勻的前提下進行。

2.3 計算荷載的選取

根據規范規定，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；豎向荷載主要有結構自重、水重、揚壓力等。

2.4 變截面底板的尺寸確定

變截面底板參數主要包括底板厚度h1、空箱側底板厚度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 變截面底板結構參數圖

底板厚度h1主要根據各工況跨中最大彎矩確定，具體方法為初步擬定常規的底板厚度，采用AutoBank建模計算得出底板彎矩分布圖，經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。空箱側底板厚度h2及底板底部固定段a的確定主要依據彎矩計算結果圖，需經過一定的試算。

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，考慮到空箱側彎矩一般較小，綜合考慮施工的方便性以及結構安全富余，可取為0.8m。

經過計算，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。對底板結構按照SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》進行配筋計算，最終結果見表1。

圖2 活動堰底板彎矩圖(單位：kN·m)

表1 28m活動堰配筋計算結果表

3 不同型式的底板對比分析

3.1 底板結構內力

閘室底板內力的大小取決于作用在閘室結構上的荷載、空箱側回填土的邊載以及地板下土體的性質。為了更直接對比底板型式對活動堰內力的影響，本文擬在相同地質及荷載條件下，研究同一底板厚度時不同型式底板內力變化情況，結果見表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，其結構尺寸主要受內力計算結果所控制，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，故底板內力結構更有利。

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在兩個方面，一個是截面變化節省了砼工程量，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，變截面底板比常規矩形底板節約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勢更明顯。

此外，變截面邊側基坑開挖深度更淺，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 結論

(1) 當底板厚度(跨中厚度)相同時，變截面底板比常規矩形底板的結構內力更小。

(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，節約臨時工程成本。

(3) 變截面底板的優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，既能優化結構內力，又能節約工程投資。

(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力情況進行計算，形成彎矩包絡圖，并按其進行配筋。