闸墩牛腿梁结构简化计算

闫丹青，张 锐

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024；2.水利部海河水利委员会，天津 300170）

1 闸墩牛腿梁结构简述

牛腿梁位于弧形闸门出口闸室的闸墩上，是闸墩结构的一个重要组成部分，其迎水侧预埋钢板支铰大梁，与弧形闸门支臂相连。当闸门关闭时，其所承受的水压力经钢板支铰大梁传递到牛腿梁上，再通过闸墩扇形钢筋把集中力分散传递到闸墩的上游部分。

由于牛腿梁、闸墩与坝体相互作用，受力情况比较复杂，在结构计算过程中往往进行简化，下面以守口堡水库泄洪冲沙底孔牛腿梁为例，对闸墩牛腿梁结构的简化计算予以论述。

2 牛腿梁结构布置

守口堡水库枢纽大坝为胶凝砂砾石坝，坝顶相对高程43.6 m，最大坝高61.6 m。溢流表孔布置在河床中部，共设6孔，每孔净宽9 m，堰顶相对高程为40 m；溢流表孔两侧各布置2孔泄洪冲沙底孔，断面尺寸为4.0 m×4.8 m，进口底相对高程为10.0 m。底孔由进口段、洞身段和出口段组成，进口段设事故检修闸门，出口段设弧形工作闸门。

出口闸室闸墩分为边墩及中墩。闸墩底板相对高程为10.0 m，闸墩顶部相对高程为20.0 m，在相对高程15.5 m 处设置牛腿梁，高2.5 m，宽1.8 m，牛腿梁轴线与水平方向夹角为25.885 7o，具体布置如图1所示。

弧形门承受的水压力通过弧门支臂传递到支铰上，为了将支铰所承受的力均匀地传递到牛腿梁上，在牛腿梁前端埋设支铰大梁，支铰大梁宽1 300 mm，高890 mm，由16 mm厚钢板焊接而成，采用Q235钢材制作，支铰大梁两侧伸入闸墩800 mm，如图2 所示。

图1 弧形闸门闸墩牛腿梁布置

3 结构简化计算

3.1 计算工况

以守口堡水库泄洪冲砂底孔牛腿梁为例，校核洪水位时闸门开启，由闸门承受的水压力通过支铰大梁传递至牛腿梁，此时牛腿梁处于最不利受力工况。

根据金属结构相关技术资料，1 个支铰受水平推力6 kN，平行于支铰大梁推力70 kN，垂直于支铰大梁推力3 200 kN，牛腿梁受力如图3 所示。

根据体型布置情况可知，牛腿梁可简化为两端支撑在闸墩上的受弯构件，在端部伴随部分固结，综合考虑各种因素，以保守计算为原则，将牛腿梁的受力分2种情况进行计算。

图2 牛腿梁钢板支铰大梁布置

图3 牛腿梁受力

（1）考虑固结情况。牛腿梁两端固结于闸墩上，此时固端受拉，两端处于不利状态，两端负弯矩达到最大，以此来分析固端受力情况并配置负弯矩钢筋。

（2）不考虑固结情况。牛腿梁为简支梁，此时跨中弯矩达到最大值，跨中处于不利状态，以此来分析跨中受力情况并配置受拉钢筋。

3.2 荷载及钢筋计算

（1）情况1。牛腿梁前端设置钢板支铰大梁，两端固结于闸墩上，此时固端处于最不利状况，在不考虑闸墩参与牛腿梁的变形时，两端的负弯矩由钢板承担。由于牛腿梁前端设有钢板支铰大梁，支铰推力的集中荷载转化为均布荷载，受力简图如4所示。

图4 情况1受力简图

很明显，此时钢板所承受的应力与其许用应力的关系将影响牛腿梁的结构设计，根据弯曲正应力的计算得到荷载设计值1 708.43 kN·m，杆端弯矩值-2 277.9 kN·m，钢板应力σ=130 MPa，钢板许用应力[σ]Q235=215 MPa。由上述结果可知，牛腿梁前部钢板应力满足材料许用应力要求，牛腿梁所承受的力在端部产生的负弯矩可以由钢板支铰大梁承担，因此在牛腿梁上游侧可不必再配置受力钢筋。

（2）情况2。牛腿梁不完全固结于闸墩上，考虑到闸墩参与牛腿梁的应力变形，两端按简支计算，此时跨中处于最不利状况，结合牛腿梁的结构设计，牛腿梁为深受弯构件，受力简图如图5所示。

图5 情况2受力简图

依据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），深受弯构件正截面受弯承载力的计算结果为：荷载设计值1 478.86 kN·m，剪力值3 401.38 kN，跨中弯矩值3 911.58 kN·m。

依据深受弯构件正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力的要求，计算钢筋布置形式见表1。

表1 配筋形式

3.3 抗裂验算

牛腿梁为深受弯构件，采用C25混凝土，综合比较上述2 种情况，第2 种情况为抗裂验算的控制工况，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），抗裂验算应符合下式规定：

式中：Mk为按荷载标准值计算的弯矩值（N·mm）；αct为混凝土拉应力限制系数，取0.85；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值（N/mm2），取1.78；γm为截面抵抗矩塑性系数，取1.55；W0为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩（mm3）；y0为换算截面重心至受压边缘的距离（mm）；I0为换算截面对其重心轴的惯性矩（mm4）；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，即αE=Es/Ec=2.0×105/2.8×104=7.14；ρ为纵向受拉钢筋的配筋率；h为截面高度（m）；b为截面宽度（m）；As为受拉钢筋截面面积（mm2）；h0为截面有效高度（m）。

经计算，得出y0＝1 266.5 mm，I0＝2.426×104mm4，W0=1.97×109mm3，Mk=3 550 kN·m，γmαctftkW0=4 619.9 kN·m，由此可知Mk＜γmαctftkW0。

4 结论

由上述计算可知，在校核洪水位情况下，闸门开启，牛腿梁处于最不利工况，此时对于牛腿梁的结构计算可参照上述2种情况进行简化。结合守口堡水库泄洪冲砂底孔牛腿梁设计可知该计算结果满足结构要求和抗裂要求，可以作为结构设计的依据。但也应该认识到，在荷载作用下，牛腿梁、闸墩和坝体之间相互作用，应力分布情况比较复杂，还需作进一步的探讨和研究。