闸底板结构设计中不平衡剪力分配问题的探讨

2011-03-20曹金龙于秀强张丽荣

黑龙江水利科技 2011年1期

关键词：闸墩作用力水工

曹金龙，于秀强，张丽荣

(1.黑龙江省水利冲填工程处，哈尔滨150000;2.望奎县水务局，黑龙江望奎152100; 3.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 立题缘由

很多中小型水闸工程设计主要参考《水工钢筋混凝土结构》一书中介绍的计算方法［1］，设计过程中发现，有些地方实际并不合理，很有必要进行探讨并加以改进，现就闸底板结构设计中不平衡剪力分配计算问题进行探讨。

2 对上述问题的探讨

2.1 要重视底板上闸墩及上部结构受荷载的不均匀性

水闸底板是空间结构，受力情况非常复杂，由于底板上闸墩及上部结构的荷载顺水流方向分布是不均匀的，特别是闸门挡水时，这种不均匀就更加明显，此时闸门前水重大，闸门后水重小，而底板的地基反力则是连续变化的。因此，当以闸门为界截取上下游板带，或垂直水流方向截取单宽板条计算时，其上部所作用的竖向力必然是不能平衡的，即向上的外力不等于向下的外力，从而产生不平衡剪力。这个不平衡剪力应由闸墩和底板截面上引起的剪应力差来平衡。

2.2 以往不平衡剪力分配的计算方法

不平衡剪力分配的计算方法，在《水工钢筋混凝土结构》一书中有详细说明，其一，假设顺水流方向地基反力为直线分布，由静力平衡条件和偏心受力公式可求得底板两端的地基反力强度P1、P2(图1的Ⅰ－Ⅰ剖面中实线所示)，其二，再计算Ⅰ－Ⅰ剖面上的剪力Q，剪应力的分布当做普通受弯构件按材料力学剪应力分布公式计算，不平衡剪力由闸墩和底板共同承担，闸墩及底板承担的数值可由剪应力分布图来确定，一般底板分担约10%～15%，闸墩分担约85%～90%。这样分配的目的是保证所截取条按弹性基础梁计算底板时能保持竖向静力平衡。

图1 地基反力强度

如果以闸门为界将闸门前后各取一截条代表B1、B2段范围，按弹性基础梁计算的反力平均强度P－，那么按上述不平衡剪力分配以后所作的计算相当于地基反力分布如图1的Ⅰ－Ⅰ剖面中虚线所示，闸门前后分布成台阶形。经计算，我们知道底板两端反力不等的主要原因之一是水平水压力通过闸门与闸墩以弯矩形式作用于底板之故。在某种情况下，如已满足抗倾复稳定条件，并且P2小于地基容许承载力［P］，但P1为负值，如图2(a)所示。一般地基不能承受拉力［4］，在反力为零的一段内取截条显然不能按弹性基础梁设计，该处闸墩与底板间为拉力作用，如图3所示，等于以闸墩为支承的普通梁。这时如果也进行所谓的不平衡剪力分配，则闸门后的地基反力相当于图2(b)中的虚线所示，它与原先所作的假设相差很大，这时存在的第一个问题。

另外，在图1中，假设顺水流方向地基反力为直线分布，主要考虑底板与闸墩连同一起的刚度很大，整体计算时相当于视作弹性地基上的刚性梁，据此算得的任意位置的反力强度应等于该处取横截条计算的平均值。而《水工钢筋混凝土结构》一书中所用不平衡剪力分配的方法等于破坏了前面的假设，因此有互相矛盾的缺点，这是存在的第二问题。

图2 剪力分配

图3

实际上并非只有Ⅰ－Ⅰ剖面存在剪力，如果取Ⅱ－Ⅱ(图1)为计算剖面，同样存在剪力。问题在于取B1、B2大段进行计算，势必误差很大。如果取图4所示单位宽度截条进行计算，既算出截条左边的Q又算出截条右边的Q＇，问题虽然得到了解决，但是计算过程还是十分麻烦。

3 建议采用的计算方法

综上，在计算顺水流方向的地基反力分布时，既然考虑了水平水压力经闸门传给闸墩作用于底板，考虑了墩上竖向荷载对底板的偏心作用，当取截条计算时就不应该只考虑截条本身的竖向荷载，应该算出底板上的所有作用力，主要是闸墩对底板的作用力。此作用力的计算完全可以利用计算地基反力分布时的部分数据，计算工作较之《水工钢筋混凝土结构》书中所述的剪应力计算简便得多。这时只要对底板取截条，底板以上的荷载和地基反力完全已知，不过可能仍不平衡，因为计算闸墩与底板间正应力时，系将所有作用力对底板面高程取力矩，而计算地基反力时，是对底板高程取力矩，结果是底板截条的左右两侧剪力不等，考虑此剪力后底板截条才能保持竖向静力平衡。由于此剪力沿梁长均匀分布，所以，建议设计中实际上不必计算此剪力数值，只要按静力平衡条件即可确定作用于梁上的均布荷载，此均布荷载必包括上述剪力在内。具体计算步骤如下:

1)用材料力学方法算出闸墩对底板的作用力(图5)。除自重和直接的竖向荷载外应计入弯矩的作用，不能忽略闸门所承受的水压力通过门槽或门轴使闸墩对底板呈弯矩应力状态的作用。

2)仍用材料力学方法计算出顺水流方向的地基反力分布［2］(见图1)。此反力强度必等于该处横截条按弹性基础梁计算的反力分布的平均值。

3)对底板任意位置取横截条，将该截条两端的闸墩对底板的作用力视作弹性基础梁的集中荷载，土压力和水压力对墩底的力矩视作梁端的力矩荷载，如图6中的P和m所示，图中已由上一步求得。根据ΣY=0，得，计算时均取绝对值，若，则表示q向上作用，其意义就是梁的自重、截条左右的剪力和梁上水重之和小于扬压力(渗透压力与浮托力)。

4)已知梁上荷载P、m和q以后根据地基系数或变形模量即可按任何弹性基础梁的计算方法计算沿梁长的反力分布和梁的内力［3］。