弧门支承梁结构分析与设计改进

余登攀

（太原理工大学建筑设计研究院水利三所 山西太原 030024）

0 引言

弧形闸门在方案选择中是优先考虑的门型之一。由于作用在弧形闸门面板上的全部水压力通过形心，故启门时只需克服闸门自重以及止水和铰轴的摩阻力，因而具有启闭力小，运转可靠等优点。以前弧形闸门的支承方式采用最多的是牛腿，而牛腿是一种悬臂结构，受力条件相对较差。

近年来，省内外很多水库的深孔弧形闸门采用了支承梁，不过均作为简支梁设计，且采用浇筑二期混凝土的方式成型；虽然采用了厚闸墩，却未能发挥其结构抗力，似有必要予以改进。在乌河水库泄洪冲沙底孔弧门支承梁设计中，我们首次将支承梁与两侧闸墩视为整体，通过三维分析方法计算支承梁、闸墩各自内力，取得了较好的技术经济效果。本文就此进行探讨。

1 工程基本资料

乌河水库大坝为堆石混凝土重力坝，坝顶高程792.0 m，最大坝高59.5 m。泄洪冲沙底孔布置在左岸的6号坝段，为淹没深孔式，孔底高程为756.40 m，最大泄量361 m3/s。泄流孔为矩形钢筋混凝土结构，进口闸门孔口尺寸4 m×5 m（宽×高），布置平板检修闸门；出口1∶6压坡段末端高度由5.0 m渐变为4.0 m，出口处孔口尺寸4 m×4 m（宽×高），布置弧形钢闸门一道。乌河水库弧门支承梁的截面尺寸为宽b=1.2 m，高h=2 m。梁净长L=4.0 m，两端闸墩厚各1.5 m。梁与两侧闸室边墩整体浇筑。支承梁由钢梁和钢筋混凝土部分组合而成，见图1。钢梁由四块钢板构成“Ⅱ”形，两腹板延伸至闸墩内，间隔布置隔板和端板。钢梁高600 mm，宽900 mm，翼缘板与腹板的厚度均为16 mm，隔板与端板厚12 mm。

图1 弧门支承梁结构图

2 结构分析与计算

根据规范（SL191-2008），乌河水库弧门支承梁的计算跨度可取支座中心线之间的距离和1.1倍净跨两者中的较小值，为4.4 m，梁高2 m，跨高比2.2＜5，属深受弯构件。乌河水库校核洪水位791.45 m，经计算，作用在支承梁上的荷载有：（1）门推力P=2×3 330 kN，支铰推力F=3 330 kN；（2）平行于支铰底板的分力S=2×400 kN；（3）侧推力H=2×40 kN；（4）梁自重（ 与闸门推力作用方向成67°37′38″角）γ=25.9 kN/m3（加权）。支承梁采用C40混凝土，弹性模量Ec=3.25×104N/mm2，泊松比υc=0.167。通过钢梁的应力扩散作用将支座荷载转化为均布荷载。

本工程闸墩厚度为1.5 m，作为支承梁的支座具有较大的刚度，将产生明显的约束作用，因此仅将支承梁当作简支结构设计，不但不能体现支座的约束作用，而且在梁的变形极其微小的情况下，按简支计算的巨量跨中受力钢筋也难以发挥作用；而梁断面内的水平和竖向分布钢筋不足，又容易产生构造缺陷。当然，闸墩的结构尺寸也还没有大到对梁形成固端条件的程度。因此，对支承梁的结构分析，按简支和固端都不够合理，而应视之为刚架。

刚架的结构是将闸墩视为固结于支座的竖直杆件，同梁刚结形成“∏”形。但此假定的难点在于如何选定竖杆的结构尺寸。为此有以下两种考虑：

（1）较为保守的是刚架梁、柱为等刚度，即梁按设计尺寸，刚架柱宽取2倍梁宽，截面高为闸墩厚；（2）刚架柱按变刚度考虑，在结点即梁中线处为2倍梁宽，此后按α角扩散角扩展，在按刚架柱高度Hi计算时，取该高度范围内的刚架柱平均宽，=2b+tanαHi，见图2。通过采用不同的扩散角α角度，求得反映闸墩不同约束强度的内力分布规律。

图2 刚架柱结构示意图

变截面柱刚架计算共考虑了扩散角为30°、45°和60°三种情况。包括等截面柱刚架在内，共4种工况，采用SAP84计算软件计算了刚架节点（支座）和梁跨中弯矩，结果见表1。

表1 刚架内力计算成果表（采用SAP84软件）

从表1数据可以看出，扩散角愈大支座约束作用愈强，而且同刚架柱高度Hi值关系不大。而等截面刚架则不然，刚架柱高度Hi变大时，跨中弯矩增大较为明显。

又经使用PKPM结构设计软件计算，其支座弯矩（绝对值）同跨中弯矩之比为35∶65。该数值同表1中0°扩散角、刚架柱高度Hi=4.0h一栏数值相当。通过上述两种方法的分析，可以说基本找到了刚架结构梁、柱内力分布的最不利条件。工程设计本着偏于安全的原则，确定支座弯矩－2 605 kN·m和跨中弯矩3 370 kN·m作为计算值。不同假定条件下刚架弯矩图见图3。

图3 不同假定条件刚架弯矩图

3 配筋计算与结构构造

（1）配筋计算

①根据上述分析结果，按跨中弯矩M中=3 370 kN·m，计算结果需配筋面积As=5 835 mm2。

②支座配筋复核

按支座负弯矩M支=－2 605kN·m计算结果需配筋面积As=6 046.6 mm2。由于钢梁腹板深入闸墩内，且其分布范围符合《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008中关于深受弯构件中支座受拉钢筋配置要求，故应考虑钢梁腹板的作用。两块16 Mn钢腹板面积As1=2×16×568=19 176 mm2远大于计算配筋量，故只需配置构造钢筋即可。

③闸墩扇形筋配筋

闸墩扇形筋配筋分别按刚架节点即支座负弯矩和SL191-2008规范要求的局部受拉区两种情况计算。

按刚架节点配筋计算配筋面积为As=6 131.0 mm2；按闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积计算公式（闸墩受一侧弧门支座推力作用时），计算局部受拉区受拉钢筋面积As总为13 577.6 mm2。因此，闸墩局部受拉钢筋远大于按刚架节点配筋，因此不需要额外配筋。

（2）结构构造

深入闸墩内的钢梁腹板上有隔板和端板，可以起到充分的锚固作用。均匀分布的隔板和端板还为梁内箍筋提供了焊接支座，使组合梁的整体性得到了加强，也使梁内受拉筋得以固定，同时满足了深受弯构件对于水平和竖向分布钢筋最小配筋率的要求。

另外，在钢梁端板内侧，还布置一层网状筋，同闸墩外层筋绑扎在一起，也对端板、进而对腹板的锚固起到了很好作用。

4 结束语

（1）弧门支承梁同闸墩的体型差异较大，本文按变刚度假定分析进而求得最不利内力分配仅是一种近似方法，尚待进一步改进。但比之简支梁假定较为合理，结构安全且较为经济。

（2）弧门支承梁断面尺寸较大，整体刚度强，变形极其微小。因此，按照规范规定满足其构造要求极其重要。钢梁腹板伸入支座并配置隔板和端板，能可靠发挥锚固作用。足够数量的箍筋和拉筋对保证支承梁的整体性很有必要。

（3）弧门支承梁的设计改进，施工方法很重要。将弧门支承梁与闸墩整体浇筑，可以克服因施工程序要求而将主要结构钢筋人为切断后再补强的问题，有利于提高结构整体性。施工时，须将钢梁、钢筋笼先行就位，并配置可调节的临时支撑。待两侧闸墩浇至弧门支承梁底高程时，对弧门支承梁的位置进行精确校准再行浇筑。