溪洛渡水电站泄洪洞工作闸门室中室楼板承重桁架受力分析

韩金涛，郑 祥

(中国水利水电第七工程局有限公司溪洛渡施工局，四川雷波 616550)

1 概述

溪洛渡水电站泄洪洞工作闸门室单个闸室长36m、宽18m、高61m，下室底板高程为540m、中室底板高程为578m、顶部高程为601m，1#、2#泄洪洞工作闸门室总长79m，下部底板为左岸泄洪洞有压段、无压段混凝土施工通道，自身混凝土施工与金属结构安装穿插进行，单个工作闸门室中室承重排架搭设钢管重量在200t以上，同时受下部施工通道和空间制约，无法一次性搭设，材料倒运困难，安全风险突出，加之与金属结构安装干扰及业主交面进度要求，必须采取既能满足中室楼板承重要求，又不影响下部施工场地空间的方案予以解决。

结合设计图纸及现场综合因素，我们拟定了采用承重桁架做支撑浇筑中闸室楼板方案，以解决上述施工难题。承重桁架支座埋设于中室楼板下部的边墙混凝土中，桁架事先加工完成，现场采用吊装方案，本工程承重桁架间距采取1.5m。

2 承重桁架的选型及结构设计

桁架结构的选型:应考虑建筑的用途、建筑造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材料的供应、施工技术等因素以及各种桁架的特点与适用范围，并做到受力合理、技术先进、经济适用。结合溪洛渡水电站泄洪洞中闸室楼板的跨度及周边建筑物空间位置限制，选定承重桁架为矩形桁架，并根据施工布置方案，将其尺寸(高×长)选定 为1.2m ×13.8m(两侧各缩进0.1m)，结构设计为对称桁架，1m一个节点(图1、2)。

图1 桁架样式(一)侧视图

图2 桁架样式(二)侧视图

3 桁架结构受力分析与计算

在承重桁架中，上下弦杆及腹杆是整个桁架结构中最重要的部件，对其的受力分析正确与否直接关系到承重桁架运行的成败。为尽可能使受力情况反映实际，确保运行安全，结合混凝土浇筑的具体情况，对上下弦杆及腹杆的受力情况进行了分析计算。

3.1 荷载分析

根据承重桁架在本工程的施工布置得知，单个承重桁架的受力面宽度为1.5m，再根据施工工况可知其上方恒荷载 P混凝土=25kN/m2，P模板=0.3kN/m2，P纵梁=0.2kN/m2，即 P恒=25.5 kN/m2，浇筑时动荷载取P动=2kN/m2。

综上得单个钢桁架上的线荷载为q设=(1.2×25.5+1.4 ×2)× 1.5=50.1(kN/m)。q标=(25.5+2)×1.5=41.25(kN/m)。

根据桁架结构特点，其受力情况见图3。

图3 桁架受力图

此桁架上弦受压、下弦受拉，根据其结构特点可知桁架中点C＇受压最大，受力简图见图4。

图4 桁架受力简图

此桁架作用跨度为14m，结构设计尺寸为1 m一节点，高1.2m，长13.8m(两端各缩进10 cm)。在此，我们用荷载的设计值设计桁架材料，用标准值校核桁架的挠度。

3.2 上下弦选材

此桁架为对称结构，根据上述可得出支座反力 FA=FB=350.7(kN)，F=50.1N。

对C点取矩，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积 A=NC＇/［σ］=46.31(cm2)。

查表可知，可采用两块18a槽钢(单块18a槽钢截面面积为25.7cm2)可靠焊接并在中间加焊18cm×12mm钢板以增加其截面抵抗矩。

3.3 竖腹杆选材

桁架结构杆件均为二力杆，易知桁架垂直连接杆的内力N直=50.1kN。

拟采用10#槽钢做竖腹杆，取槽钢最不利受力轴，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#槽钢满足竖腹杆的受力要求。为加强桁架受力，本次在每一处节点都增设了竖腹杆。

3.4 斜腹杆选材

(1)两侧①、②斜腹杆。

桁架斜杆选材，易知桁架两端斜腹杆内力最大，取①、②杆分析，其受力简图见图5。

图5 斜腹杆受力简图

根据受力图5(a)，对H点取矩，由Mh=0，可推得:

Nf＇×1.2+F ×1+1.9 × F/2=FA×1.9

推得 Nf=473.86N。

根据受力图5(b)，对E点取矩，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，即其方向与图示相反。

对于AD斜杆，其受力情况如图6所示。

本工程腹杆按最大内力取Nmax=423.90kN，本桁架斜杆长度为1.56m，本次拟取200mm×125mm×14mm的不等边角钢，取角钢最不利受力轴，即 λmax=1.56 ×100/2.73=57，查表得 ψ =0.823;查表得 A=43.9cm2。

图6 斜杆受力简图

根据单面连接单角钢强度折减，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的不等边角钢满足本桁架两侧①、②号斜腹杆的最大受力。

(2)③、④号斜腹杆受力情况见图7。

图7 斜腹杆受力示意图

根据受力图(a)，对G点取矩，有Mg=0，可推得:

推得 N=807.86kN。

根据受力图(b)，对J点取矩，取N=N’，有Mj=0，可推得:

推得N④=－228.25kN，即其方向与图示相反。

对于K点，其受力简图见图8。

图8 K点受力简图

对于斜腹杆④，拟采用16a槽钢做竖腹杆，取槽钢最不利受力轴，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槽钢满足斜腹杆④的受力要求。但根据桁架受力特点及安全考虑，本次斜腹杆③、④采用与斜腹杆①、②一样的200mm×125mm×14 mm的不等边角钢。

(3)⑤、⑥、⑦号斜腹杆。

综上同理，可得⑤、⑥、⑦号斜腹杆的内力为N⑤=163.77kN，N⑥=98.26kN，N⑦=32.63kN。

对于斜腹杆⑤，拟采用14a槽钢做竖腹杆，取槽钢最不利受力轴，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槽钢满足斜腹杆⑤的受力要求，斜腹杆⑥与斜腹杆⑤采用同样的14a槽钢。

对于斜腹杆⑦，拟采用10#槽钢做竖腹杆，取槽钢最不利受力轴，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#槽钢满足斜腹杆⑦的受力要求。

3.5 刚度校核

将钢桁架作为整体，其节点处集中力指向相同(图9)，即知桁架跨中处挠度最大。又钢桁架为对称结构，受力也为对称作用力，由叠加原理可得:

图9 钢桁架整体受力图

式中 I为钢桁架截面对主轴X轴的惯性矩，即I=2(2I18a+(h/2)2 ×2A)=4I18a+Ah2，本惯性矩算法忽略了腹杆的变形影响，由18a槽钢的截面特性可知 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。

综上可推得 Wmax=0.0226+0.003=0.0256m=25.6mm ＜ l/500=28mm，即满足安全运行要求。

4 结语

本工程承重桁架材料均采取设计过程计算选出，在刚度校核中忽略了腹杆的变形影响且以桁架作用跨度作为计算跨度，从而增加了承重桁架整体安全裕度。承重桁架自加工完成后成功运用于本工程中闸室两个楼板的浇筑施工，加快了中闸室整体施工进度，取得了良好的效果。