南水北调北沙河倒虹吸出口闸启闭机室设计

庞景兰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

南水北调北沙河倒虹吸出口闸启闭机室由3部分组成：工作闸启闭机室、操作室及检修闸室。工作闸启闭机室内设置1台50kN电动单梁悬挂式起重机，两轨道中心距7.0m，用于起吊弧形钢闸门油缸及其他配件。检修闸室内设置1台2×100kN电动葫芦，吊点距为4.2m，用于启闭平面滑动叠梁检修闸门，启闭机室位于出口闸室之上。

2 结构体系确定

2.1 启闭机室建筑特点

北沙河倒虹吸出口闸启闭机室建筑有3个特点：①使用功能上要求启闭机室空间较大，且中间不能设置墙或柱。总体布局为：工作闸启闭机室长24.90m，宽11.40m，层高8.47m；操作室长24.90m，宽5.98m，层高3.97m，检修闸室长48.30m，宽4.70m，层高8.00m。一般公用建筑经济柱距为5～8m，层高为3～5m，民用建筑会更小，启闭室空间远远超出一般建筑使用空间。②在基础形式上，工作闸启闭机室和操作室均作用在相同水工闸墩上，闸墩净距6.50m，共3孔，两边墩顶宽1.20m，两中间墩宽1.50m，闸室高度11.1m；检修闸室中间部分位于闸墩上，两端部分位于两端门库上，门库长8.90m，宽4.70m，壁厚0.80m，埋深7.60m，门库与闸墩间净距2.80m。③门窗洞口尺寸较大，检修闸室两侧门尺寸均为1.8m×3.0m，幕墙尺寸为19.45m×4.50m及4.20m×5.40m。

2.2 启闭机室结构体系选型

根据前述启闭机室建筑特点，结构体系有两种方案可供选择：①现浇钢筋混凝土框架结构，本方案梁、板、柱均为钢筋混凝土现浇结构，节点为刚接，如图1所示；②铰接钢筋混凝土排架结构，柱为钢筋混凝土现浇结构，梁为预制钢筋混凝土结构，预制梁与现浇柱节点采用螺栓连接，形成铰接节点，屋面采用钢筋混凝土预制板，如图2所示。两种方案比较，框架结构整体性好，抗震性能强，由于节点均为刚接，且梁、柱断面较小，故节省投资；排架结构屋面梁为预制方便施工，但由于梁、柱连接及预制板与梁连接均为铰接，而使结构整体性较差，抗震性能较弱，且由于房屋使用空间大这一建筑特点，使预制梁断面较大，且各构件需要特定制作，从而使投资增加。通过比较，本工程宜采用现浇钢筋混凝土框架结构。

图1 框架结构体系布置

图2 排架结构体系布置

工作闸启闭机室、操作室纵向柱距均为8.20m，横向柱距分别为10.706，5.984m；检修闸室纵向柱距为8.00m左右，横向柱距为4.20m。这样布置即能满足各房间空间使用要求，又能保证幕墙承重体系的安全，还能保证每根框架柱均作用在闸墩与门库上。作为启闭机室基础的闸墩，与门库埋深不同，处理不好会出现不均匀沉降，从而使填充墙体产生裂缝，影响美观。因此，与水工专业人员协商，要求埋深较浅的门库地基超挖部分宜采用碎石土进行回填，并严格控制回填压实度，以确保回填质量，使地基不均匀沉降控制在规定范围内。

3 结构设计计算

本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第2组，抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为四级，结构的安全等级为二级，设计使用年限为50a，混凝土结构的环境类别为二b类，混凝土强度等级采用C30，主筋采用HRB400，箍筋采用HRB335。结构构件的裂缝控制等级为3级，最大裂缝宽度限值为0.2mm。

由于本工程梁格尺寸远大于一般建筑工程梁格尺寸，因此利用框架梁、一级次梁、二级次梁划分形成密梁结构，改善受力情况。工作闸启闭机室框架柱断面为500mm×700mm，横向框架梁断面为300mm×900mm，纵向框架梁断面为350mm×1000mm，通过次梁将板划分成3.6mm×4.10m连续双向板，板厚110mm；检修闸室横向框架梁断面为300mm×550mm，纵向框架梁断面为350mm×800mm，次梁将板划分成2.78mm×4.20m连续双向板，板厚110mm；操作室横向框架梁断面为300mm×550mm，纵向框架梁断面为350mm×700mm，通过次梁将板划分成3mm×4.10m连续双向板，板厚110mm。

采用空间三维模型分析计算结果显示，采用密梁结构的划分，使得框架结构梁、板、柱配筋全部在经济配筋率范围内，且满足抗震规范强剪弱弯、强柱弱梁、强节点要求。最大弹性位移角1/2050，满足抗震规范规定的层间弹性位移角1/550限值的要求，框架梁最大裂缝宽度为0.19mm，满足规范要求。

4 抗震构造措施

启闭机室设计满足使用功能和正常使用情况下安全可靠是结构设计的主要内容，除此之外，还需要对砌体填充墙等非结构构件采取有效的构造措施，保证其连接可靠，以确保整个结构在遭遇地震时的安全性。

抗震规范规定“非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计”。本工程填充墙采用轻质墙体材料蒸压加气混凝土砌块；沿框架柱全高每隔500mm设2准6拉筋，拉筋伸入墙内的长度沿墙全长贯通；墙长大于5m时，墙顶每隔1500mm设有与梁拉结的拉结件；墙高超过4m时，墙体半高设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁；幕墙两侧及大于1.8m门、窗洞口两侧均设有构造柱。

5 结语

（1）基于水闸启闭机室建筑特点，结构体系采用现浇钢筋混凝土框架结构，能有效地满足机电设备布置的空间要求。采用空间三维模型对结构进行了分析计算，保证计算结果的准确性，使得结构强度和刚度方面均满足要求。

（2）确定了必要的抗震构造措施，达到对整个建筑物抗震性能有效补充的目的。结合建筑造型的需要，在适当位置配置构造柱、水平系梁，并在墙内设置拉结筋，将有效地提高建筑物的抗震性能。

［1］GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准［S］.

［2］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.