五强溪船闸一闸室混凝土结构配筋计算

张玉平

（湖南五凌电力有限公司大坝监测中心,长沙 410004）

五强溪水电站位于沅水干流上，五强溪船闸是五强溪水电站唯一的通航设施，闸室为二级建筑物。该船闸分为三级，三级船闸的设计水头分别为37.7，27.7，24.0m，其中第一闸室是我国目前服役船闸中规模最大、水头最高的船闸，最大设计水头为37.7m，总水头60.9m的三级船闸［1］，船闸闸室侧墙及底板为钢筋混凝土，采用限裂设计。船闸于1994年底建成，1995年2月10日首次通航。根据JTJ 261265《船闸设计规范》第2.3.7条规定，“船闸结构（混凝土或砌石）一般采用结构力学方法验算应力。对于高闸墙及较复杂的地质条件，除采用材料力学方法计算外，宜同时进行模型试验或采用有限元法进行计算研究”。对五强溪一闸室采用材料力学法对两侧墙进行配筋计算，其他部位需用有限单元法计算。

1 材料力学法计算

将五强溪一闸室的侧墙与底板所乘载的力分为水平方向应力、铅直方向应力、第一主应力和第二主应力等。闸室侧墙为一大体积混凝土结构，与重力坝类似，设计时可参考重力坝应力计算方法，用材料力学法计算闸墙底应力分布，计算模型如图1。

开裂前，假定沿底面应力为直线分布，则σ1、σ2可由式（1）求出。

式中 N为纵向和力；L为底宽；M为底面形心的弯矩和。

根据SDJ20—78《水工混凝土结构设计规范》，拉力区配筋量应按式（3）计算。

式中 Ag为钢筋面积；T为钢筋承担的合力；Kg为受拉钢筋安全系数，根据规范应取Kg=1.5；Rg为钢筋的抗拉强度，根据规范SDJ20—78可取Rg=3200kg/cm2。

T的计算如图2。

其中，T=W1b。W1为拉应力图形面积中扣除应力小于混凝土许可拉力［Rl］后的面积，但扣除面积不宜超过全部拉应力图形面积的25%。［Rl］混凝土的允许抗拉强度，随混凝土符号不同，本工程混凝土设计标号为 250#，查规范 SDJ20—78，得［Rl］=5.8kg/cm2。 B为计算闸段宽度。

根据SL.191—2008《水利混凝土结构设计规范》，水工混凝土应考虑作用在构件截面上的渗透压力。假定钢筋承担的拉力面积部分全部拉开，水渗入且呈全水头作用，则钢筋承担的拉力应加上裂缝水压力。

设钢筋承担部分的总长度为lc，计算截面处的水头为H，则裂隙水压力引起的拉力：

将水压作用在拉开部位，方向向上，计算出由渗透压力引起的弯矩和轴力及开裂后断面新的形心，再计算应力，如此反复计算，直至稳定后可得考虑渗透压力后的开裂长度，并由此计算配筋。

根据式（4）对闸室侧墙不同高程的断面应力及配筋量进行了计算，并与闸段实际配筋量进行了比较，结果如表1。可以看出，按材料力学法计算时，一闸室原设计除在闸墙底部的配筋略有不足之外，满足规范要求。

表1 一闸室各断面配筋计算表及与实际配筋

2 有限元法计算

有限元单元法在计算体型大结构复杂的混凝土结构时，有着较大的优越性，尤其是进行空间整体计算时更能反映结构空间相互作用的效果［2-3］。五强溪一闸室分成若干闸段，闸段与闸段之间的受力相互独立，闸室结构的受力为典型的平面应力状态，因此采用用平面有限元、按平面应力计算。建立计算模型时，取垂直于船闸轴线方向为X方向，顺船闸轴线方向为Y方向，竖直方向为Z方向，利用三维通用有限元程序进行计算，计算网格采用六面体单元进行划分，网格划分注意混凝土结构的受力特点，结构发生突变的部位适当加密。闸室有限元模型总单元数为97848。

五强溪一闸室有限元网格如图3。

表2 一闸室有限元法配筋计算

3 结语

对于五强溪一闸室侧墙为一大体积混凝土结构，与重力坝类似，可参考重力坝应力计算方法，用材料力学法对底板和两侧墙进行计算，其他部位需用有限单元法计算配筋面积，计算结果说明：按材料力学法计算时，一闸室原设计除在闸墙底部的配筋略有不足之外，满足规范要求。取若干控制截面用有限元应力结果计算配筋得出一闸室的1、4断面的现有配筋略有不足，8断面配筋少25%。

［1］赵春，杨定华.工程安全监测技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］崔海涛，李娟，曾俊，等.导流洞进口闸室有限元分析及应力配筋［J］.水利与建筑工程学报， 2011，9（3）:146-149.

［3］刘玲玲，吴永恒.有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用［J］.人民长江，2012，43(17):21-24.

［4］周小录.五强溪船闸—闸室数据资料分析报表［R］.长沙：湖南五凌电力工程有限公司大坝监测中心，2011：37-49.

［5］张国新，朱伯芳.五强溪电厂船闸变形研究报告［R］.北京：中国水科院结构材料所，2002.