瀑布沟水电站尼日河引水工程首部泄洪闸排架设计
2013-12-17王方亮索慧敏
王方亮，索慧敏
(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院, 四川 成都 610072)
1 前 言
尼日河系大渡河的一条支流。全长140km，流域面积4 090km2，多年平均流量128m3/s，年径流量40.4亿m3。为了充分利用尼日河的水力资源，采取在尼日河上建低闸，用引水隧洞将尼日河水引入瀑布沟水电站水库，枯期引用流量为80m3/s，可增加瀑布沟水电站保证出力60MW，年发电量5.4亿kW·h，经济效益显著。
尼日河引水工程属三等工程，主要建筑物为3级建筑物，设计洪水P=2%，相应流量2 560m3/s，校核洪水P=0.2%，相应流量3 520m3/s。首部枢纽主要建筑物有：泄洪闸、挡水坝和取水口。泄洪闸共三孔，孔口尺寸9m×11.7m(宽×高)，闸前正常蓄水位866.70m，闸顶高程874.50m，最大闸高24.5m，用平板工作门控制泄量。工作门由固定式启闭机控制，启闭机布置于启闭机排架上。泄洪闸启闭机排架为高16.0m的现浇式框架结构，排架上部布置启闭机房，下部与闸墩固接。垂直于水流向布置3跨，1、3号闸孔排架跨度为12.0m，2号闸孔排架跨度为12.5m；顺水流方向为单跨，跨度为5.1m。
2 排架设计基本资料
(1)泄洪闸排架按3级建筑物设计，结构重要性系数γ0=1。
(2)混凝土强度等级采用C25，容重为25kN/m3。
(3)抗震设防烈度为7°，设计地震加速度为0.15g，为二类场地，框架抗震等级为三级，周期折减系数取0.8，按设计地震第3组计算，修正后的基本风压为0.3kN/m2，地面粗糙度类别为B类。
(4)启闭机房墙、柱荷载见图1、2。
(5)排架依据DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》和GB50011-2010《建筑抗震设计规范》进行设计。
(6)启闭机基础荷载及位置见图3。启闭机起吊中心线上游侧基础荷载Q1=121kN，Q2=132kN；启闭机起吊中心线下游侧基础荷载Q3=284kN，Q4=257kN。启闭机荷载的作用分项系数取1.1，动载系数取1.05。
3 排架设计和计算模型
3.1 排架设计工况
根据固定式启闭机的实际可能运行情况进行全面分析，按最不利的工况进行组合设计，计算两种工作情况。
(1)正常工作工况(启闭机启吊闸门工作时+无地震组合)。
(2)地震工况(启闭机静止不工作时+地震组合，包括闸门自重和启闭机自重)。
3.2 排架结构截面尺寸设计
3.2.1 框架结构布置
布置应使结构简单、规则、对称，减少偏心，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，长宽比不宜过大，以减少震害。
3.2.2 楼板设计
图1 墙荷载
图2 柱荷载(典型荷载)
图3 启闭机基础荷载及位置
板应满足承载力、刚度和裂缝控制的要求，并满足启闭机的荷载设备和运行要求，板的厚度取15cm。
3.2.3 框架梁设计
框架梁截面尺寸根据竖向荷载大小、跨度、抗震设防烈度及混凝土强度等级，现浇整体式框架梁可取h=(1/8～1/10)l，l为梁的计算跨度，初步确定梁结构尺寸为：主梁60cm×120cm(宽×高)，次梁45cm×80cm(宽×高)，横梁50cm×80cm(宽×高)。
3.2.4 框架柱设计
框架柱的截面按轴压比先进行估算，同时满足规范规定的构造要求，初步确定柱结构尺寸为80cm×80cm(宽×高)。
3.3 计算方法
尼日河引水工程首部泄洪闸启闭机排架计算采用中国建筑科学研究院的建筑计算分析程序PKPM进行建模及计算分析。首先通过结构平面楼盖设计程序(PMCAD)，除计算结构自重外，还自动完成从楼板到次梁、从次梁到主梁、从主梁到承重柱、从上部结构传到基础的全部计算，局部的外加荷载，建立建筑的荷载数据模型；再通过平面和三维结构设计程序，以一榀框架或整体结构作为分析对象，进行结构内力、配筋计算和极限状态验算等，综合确定排架设计的合理性和可靠性。
3.4 排架PKPM模型建立
在PMCAD程序中建模，对各层进行构件布置和荷载输入，生成排架计算模型(见图4)。
图4 排架计算模型
4 排架内力计算
根据排架的基本资料，计算中输入的主要参数见表1。
表1 排架主要计算参数
计算包括楼板计算，排架的弯矩、轴力、剪力包络图、风载计算和地震荷载计算等。由于排架计算部位较多和文章的篇幅有限，本文结合排架的结构布置和荷载位置的特点，计算结果选取每种工况下受力最不利的部位(由于排架结构及受力对称，仅显示半榀框架计算结果图)。
(1)正常工作工况(半榀)计算结果见图5～8。
图5 弯矩包络图(kN·m)
图6 轴力包络图(kN)
图7 剪力包络图(kN)
图8 左(右对称)风载弯矩图(kN·m)
(2)次梁计算结果见图9～10。
(3)地震工况(半榀)结果见图11～12。
5 计算结果分析
5.1 排架板、梁、柱计算结果分析
根据不同工况进行内力包络分析计算，得到板、梁、柱计算结果(见表2)。
图9 弯矩包络图(kN·m)
图10 剪力包络图(kN)
排架部位配筋率/ %纵向钢筋截面面积比最大轴压比最大裂缝/mm最大挠度/mm楼板0.270.041.19框架梁1.05/0.510.7/0.80.2625.7次梁1.080.288.4框架柱2.41/0.6/1.020.47
注：1)表中框架梁数值分别为主梁和次梁。
2)表中框架柱配筋率数值分别为纵向钢筋配筋率、每一侧配筋率和箍筋体积配箍率。
图11 弯矩包络图(kN·m)
图12 左(右对称)地震弯矩图(kN·m)
通过板、梁、柱计算结果表明：
(1)板按跨度最大处进行计算，板的配筋率大于0.2%，最大挠度值小于l0/200=14.6mm，最大裂缝宽度小于0.30mm，均满足规范要求。
(2)排架主梁和横梁按框架梁进行计算，主梁和横梁的纵向受拉钢筋的配筋率均大于0.25%、小于2.5%；主梁和横梁梁端截面的底面和顶面纵向钢筋截面面积的比值均大于0.3；框架梁的最大裂缝宽度小于0.30mm，最大挠度值小于l0/400=30mm，均满足规范要求。
次梁纵向受力钢筋的配筋率大于0.2%，最大裂缝宽度小于0.30mm，最大挠度值小于l0/400=13.3mm，均满足规范要求。
(3)排架柱的截面尺寸满足要求。排架柱的最大轴压比值小于0.9出现在正常工况；排架柱纵向钢筋配筋率大于0.9%，且小于5%；每一侧配筋率大于0.2%，柱箍筋体积配箍率大于0.7%，均满足规范要求。
5.2 排架整体结果分析
该框架结构高度相对较低，布置规则、对称，从以下计算结果进行分析。
(1)柱轴压比：框架柱的最大轴压比出现在正常工况(见图6)，为μ=0.47<0.9，满足规范要求。
(2)剪重比(剪力系数)：由表3可知，层间最小剪重比为0.044 77>0.024，满足规范要求。
表3各层剪重比值(典型值)
(3)层间位移：框架在多遇地震作用下最大弹性层间位移角为1/628≤[θe]1/550， 在罕遇地震下薄弱层层间弹塑性位移角为1/100≤[θe]1/50，均满足规范要求。
(4)框架结构整体稳定验算：由表4可知，框架整体稳定满足要求。
表4框架整体稳定验算
6 结 论
通过对启闭机排架进行设计和计算分析，可得出以下结论：
(1)启闭机排架在正常工况和地震工况下的结构整体和局部的计算结果合理，满足相应规范要求。表明排架结构布置合理，框架整体稳定，板、梁、柱尺寸和配筋满足要求。
(2)框架结构布置中，抗侧力结构的平面布置宜均匀对称，具有良好的整体性。
(3)框架设计时体现了强柱弱梁的原则，如采用净跨框架梁单元模型，适当降低梁端负弯矩数值(考虑梁端负弯矩调幅系数)，合理控制框架梁的梁端底部钢筋进入框架柱的数量等。
(4)框架梁的裂缝宽度验算中，宜采用柱边缘截面处的梁端内力设计值。
(5)在框架抗震验算中，应重视控制剪重比，确保结构安全性。
(6)计算后，一些参数和计算结果可能不满足要求，需要根据计算结果对结构进行适当的调整。
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