沙集閘閘室結構內力分析及配筋設計研究

張生太，張萬里，田國淮，繆雨廷

（1. 南京市市政設計研究院有限責任公司,江蘇 南京 210008；2. 江蘇錦迅建設工程有限公司,江蘇 鹽城 224001）

1 引言

新建沙集閘閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構,閘孔總凈寬40 m,共5 孔,底板分兩孔一聯和三孔一聯,每孔凈寬8 m。閘底板頂面高程15.0 m,底板厚1.4 m。閘室底板坐落在第4層黏土上,該層土承載力建議值為180 kPa,閘室處地基承載力滿足要求,采用天然地基。閘室底板下采用雙排φ35 多頭小直徑攪拌樁防滲,穿透第5 層粉土,樁底高程6.0 m。

水閘結構應力分析應根據各分部結構布置型式、尺寸及受力條件等進行。受力條件復雜的大型水閘閘室結構宜視為整體結構采用空間有限單元法進行應力分析[1]。閘室底板是整個閘室的基礎結構,是全面支撐在地基上的一塊受力條件復雜的彈性基礎板。底板的內力分析方法大致有平面簡化法（反力直線分布法、彈性地基梁法）和三維有限元法。底板內力不同的計算方法,都有著適用于各自特定的條件。無論哪一種計算方法,最終目的都是通過簡化原來的結構,從而求得結構的內力和變形。

隨著計算機技術和有限元法的快速發展,水閘結構分析方法得到了較大的進步,三維、動力、彈塑性、耦合等問題得到了很好地解決,使得計算結果越來越能夠反映工程的實際情況,同時也使得設計變得越來越經濟、合理。在水閘結構設計方面,三維有限元法不僅能夠比較準確得模擬水閘結構布置,還能夠模擬不同的計算工況和邊界約束條件,同時能夠分析不同類型的水閘型式,考慮修建在軟土地基上水閘的不均勻沉降、地震荷載及溫度荷載的作用,反映出不同工況下閘室結構應力和位移分布情況,為水閘結構優化設計提供依據[2]。

2 平面簡化法計算

2.1 反力直線分布法

反力直線分布法又稱截面法和靜定分析法[3]。該方法假定地基反力在垂直水流方向均勻分布,但不把墩墻當作底板的支座,而認為墩墻是作用在底板上的荷載,按材料力學的截面法計算其內力[4]。

2.1.1 確定計算簡圖

根據底板尺寸和荷載,選定計算斷面后,截取單寬板條作為計算單元,再根據計算單元進行荷載計算,確定計算簡圖。在結構單元上取單寬板條,將空間問題轉化為平面問題。根據閘室結構和荷載分布,以閘門為界,將底板分為上、下游兩部分,分別在兩部分的中央取單寬進行分析,其計算結果分別代表閘底板上、下游段的內力。下游段截取板條見圖1（a）。以垂直水流方向截取的單寬板條作為計算對象,把閘墩當作底板的已知荷載進行計算,計算單元見圖1（b）。計算簡圖見圖1（c）。

圖1 反力直線分布法結構簡化與計算簡圖

2.1.2 底板作用荷載計算

（1）完建期無水情況

各種荷載均以截面A-A 處的壓力強度作為單寬板條的平均壓力強度,計算相應的作用荷載,見圖2。均布荷載q=62.24 kN/m,邊墩集中力 P邊=480.59 kN/m,中墩集中力P中=448.55 kN/m,縫墩集中力P縫=347.80 kN/m,邊墩傳遞給底板的端部彎矩M瑞=M墩=771.18 kN·m。

圖2 完建期無水情況計算截面處底板荷載示意圖

圖3 校核水位閘門上游側截面底板荷載示意圖

圖4 校核水位閘門下游側截面底板荷載示意圖

（2）校核水位閘門擋水時上游側截面

對于上游側截面,前述計算有向上的不平衡剪力,因此在計算均布荷載及閘墩集中力時,均應減去相應所分配的不平衡剪力。另外,因水重作用的均布荷載在底板上按連續分布考慮,而實際上在閘墩厚度范圍內并無水重,因此在閘墩集中力的計算中,除應考慮不平衡剪力外,還應扣除相應于閘墩厚度的水重。

（3）校核水位閘門擋水時下游側截面

對于下游側截面,前述計算有向下的不平衡剪力,因此在計算均布荷載及閘墩集中力時,均應增加相應所分配的不平衡剪力。

2.1.3 底板彎矩計算

（1）完建期無水情況

（2）校核水位閘門上游側

（3）校核水位閘門下游側

2.1.4 底板配筋計算

對于較大的水閘,應分別根據各控制截面的彎矩值進行配筋計算,使底板結構尺寸及配筋量更加經濟合理。當閘的規模較小時,為簡化計算及鋼筋布置,也可只采用一個最大正彎矩及一個最大負彎矩,分別作為整個底板下層及上層混凝土結構計算的控制彎矩,不過這樣卻使某些部位的配筋最必然偏大而不經濟。

本文簡化計算,根據前述不同工況各截面彎矩的計算成果,選取最大負彎矩標準值-1531.98 kN·m （校核水位閘門下游截面）作為全部底板上層混凝土結構計算的彎矩值,選取最大正彎矩標準值771.18 kN·m（完建期無水工況）作為全部底板下層混凝土結構計算的彎矩標準值。

2.2 彈性地基梁法

2.2.1 完建期計算

（1）完建期計算簡圖（圖5～圖6）

圖5 完建期計算簡圖（不計邊荷載）

圖6 完建期計算簡圖（計入邊荷載）

（2）邊荷載對地基反力的影響

完建期不計入邊荷載時,地基反力最大值為324 kN/m2,最小值為59 kN/m2。完建期計入邊荷載時,地基反力最大值為110 kN/m2,最小值為82 kN/m2。兩者地基反力計算結果對比分析,計入邊荷載使得地基反力趨于均勻,也更符合工程實際情況。

（3）邊荷載對彎矩的影響

完建期不計邊荷載時,底板上層最大彎矩值為691 kN·m,位于第1 跨跨中處。底板下層最大彎矩值為876 kN·m,位于中墩底部。完建期計入邊荷載時,底板上層最大彎矩值為803 kN·m, 位于第3 跨跨中處。底板下層最大彎矩值為1175 kN·m,位于邊墩底部。兩者彎矩計算結果對比分析,計入邊荷載對彎矩的影響較大,邊荷載使計算閘段底板內力增加。根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）,計算時應100%計入邊荷載。

（4）完建期底板配筋計算

完建期底板上層最大彎矩標準值為803 kN·m,設計彎矩值為963.6 kN·m。配筋計算,選用鋼筋φ25@200,相應實際鋼筋面積為2454 mm2。底板下層最大彎矩標準值為1175 kN·m,設計彎矩值為1410 kN·m。配筋計算,選用鋼筋φ25@200+φ12@200,相應實際鋼筋面積為3019 mm2。

2.2.2 校核水位工況計算

（1）計算簡圖（圖7～圖8）

圖7 校核水位計算簡圖（閘門上游側）

圖8 校核水位計算簡圖（閘門下游側）

（2）計算結果

底板上層最大彎矩值為806 kN·m,位于第3 跨跨中處。底板下層最大彎矩值為1084 kN·m,位于邊墩底部。校核水位情況底板上層最大彎矩標準值為1047 kN·m,設計彎矩值為1256.4 kN·m。配筋計算,選用鋼筋φ25@200+φ12@200,相應實際鋼筋面積為3019 mm2。

底板下層最大彎矩標準值為892 kN·m,設計彎矩值為1070.4 kN·m。配筋計算,選用鋼筋φ25@200,相應實際鋼筋面積為2454 mm2。

3 有限元法模型計算

3.1 模型建立及網格劃分

3.1.1 模型基本假定

利用ABAQUS 建立模型時,在保證合理的計算結果基礎上,應盡量使模型簡單化。因此,本文針對模型的建立做以下假設：①閘體及閘門按照線均質彈性材料考慮；②土體為均質材料,具有彈塑性的特性。忽略水閘對土體參數以及連續性的影響,模擬過程中以摩爾庫倫作為本構模型進行計算分析,流動準則為土體的塑性變形屈服準則；③模型中不予考慮土體排水固結過程,忽略了閘門入土所引起的初始位移；④不考慮地下水位的變化對閘室穩定性的影響。

3.1.2 網格劃分

采用 ABAQUS 有限元軟件假定土體服從Mohr-Coulomb塑性模型,閘室混凝結構用線彈性體材料模型,地基單邊尺寸取閘室基礎各邊延伸60 m。本次有限元模型采用的網格剖分,主要有結構化網格剖分與掃掠網格剖分。實體單元采用C3D8R 六面體減縮線性積分單元模擬,單元通過 8 個節點來定義,每個節點有3 個沿X、Y、Z 方向的自由度。X 軸順著水流方向,指向下游。Z 軸垂直水流方向,指向右岸。Y 軸鉛直方向,指向向上。計算模型見圖9。

圖9 閘室及土體整體建模及網格劃分

3.1.3 邊界條件

如圖10 所示,地基底部限制三個方向上位移,兩側限制垂直水閘沿線方向上的水平位移,沿水閘方向限制沿線方向上的水平位移。

圖10 模型邊界條件

圖12 底板垂直水流方向水平應力圖（單位：Pa）

圖13 底板彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖14 底板豎向應力圖（單位：Pa）

圖15 底板垂直水流方向水平應力圖（單位：Pa）

參考類似工程土工試驗數據選取的各模型參數見表1。

表1 計算模型參數表

3.1.4 荷載及計算工況

根據《水工建筑物荷載設計規范》（SL 744-2016）,本次模型施加的荷載主要包括閘室結構自重、水重、水平水壓力、揚壓力、邊荷載等。各工況荷載組合如下：

完建工況：上下游無水,閘室結構自重、邊荷載等。

校核工況:上游水位 20.0 m、下游水位 11.5 m,閘室結構自重、水重、水平水壓力、揚壓力、邊荷載等。

3.2 完建期有限元計算

在施加完建期荷載后,閘室順水流方向最大水平應力為3.1 MPa,垂直水流方向最大豎向應力為2.97 MPa,最大豎向應力為5.6 MPa,完建期荷載對水平應力影響較小,對豎向應力影響較大。從閘室底板最大Mises 應力為4.6 MPa,底板順水流方向最大水平應力為1.6 MPa,垂直水流方向最大豎向應力為1.5 MPa,最大豎向應力為2.1 MPa。底板最大受力彎矩為809.5 kN·m。

3.3 校核水位工況有限元計算

校核水位工況閘室順水流方向最大水平應力為1.90 MPa,垂直水流方向最大豎向應力為2.97 MPa,最大豎向應力為4.86 MPa,校核水位工況水平應力增大比較明顯。底板順水流方向最大水平應力為6.29 MPa,垂直水流方向最大豎向應力為1.40 MPa,最大豎向應力為2.04 MPa。底板最大受力彎矩為995.7 kN·m,比完建期加載增大了22%。

4 結語

閘室結構內力分析是一個重要而又復雜的問題,為正確地進行內力分析,選擇符合實際情況的計算模型和方法是非常重要的。

1）反力直線分布法計算簡單,計算結果偏大,適用于小型水工建筑物基礎設計,也可作為大、中型水工建筑基礎內力計算的校核方法。

2）彈性地基梁計算是經典的基礎內力計算方法,也是一種比較精確的計算方法。廣泛用于水工基礎結構設計,也是水利行業規范中推薦的計算方法。

3）有限元法整體建模,宜視閘室結構為整體結構采用空間有限單元法進行應力分析,選擇合適的有限元結構分析軟件計算,分析結果為內力時可直接配筋,結果為應力時按應力圖形配筋。

4）通過沙集閘內力計算分析, 計算結果相比較：反力直線分布法＞彈性地基梁法＞有限單元法, 反力直線分布法彎矩計算成果均為負彎矩,即底板上層彎矩最大,彎矩最大值為1531.98 kN·m（校核水位閘門下游截面）, 彈性地基梁法彎矩計算成果地板彎矩有正值也有負值, 彎矩最大值為1047 kN·m（校核水位閘門下游截面）,反力直線分布法比彈性地基梁法彎矩計算值大約46%,比有限單元法彎矩計算值大約54%。

5）中小型水利工程設計宜優先采用彈性地基梁法,采用程序計算方便快捷,計算準確度比較高。有限元法整體建模需要花費較多時間,但受力條件復雜的大中型水閘閘室結構宜視為整體結構采用空間有限單元法進行應力分析。