PKPM在刘家拱桥水库启闭排架结构设计中的应用

谢 桃，肖开学，肖玉会

(四川省清源工程咨询有限公司，成都，610072)

PKPM在刘家拱桥水库启闭排架结构设计中的应用

谢 桃，肖开学，肖玉会

(四川省清源工程咨询有限公司，成都，610072)

以刘家拱桥水库溢洪道排架结构设计为例，从模型建立、荷载输入、参数输入、结构计算等几方面初步探讨PKPM软件在水工结构设计中的应用。根据计算结果，结合相应规范要求，其配筋计算是安全可行的，且具有高效性及合理性。

PKPM软件 排架结构 刘家拱桥水库

1 工程概况

刘家拱桥水库位于四川省达州市渠县境内，水库枢纽距渠县县城约26km。该工程是以灌溉、人畜饮水、乡镇生活用水为主，兼顾发电及渠县城市应急备用水源等综合效益的骨干水利枢纽工程。

水库正常蓄水位488.00m，大坝为混凝土面板堆石坝，坝长236.00m，最大坝高76.60m。水库总库容1497万m3，正常水位库容1389万m3，调节库容1180万m3，电站装机容量2400kW，该工程为Ⅲ等工程。水库枢纽主要建筑物包括右岸取水隧洞、混凝土面板堆石坝、右岸表孔溢洪道和左岸泄洪放空洞等。

溢洪道布置在右坝肩，由进口引渠段、闸室段、泄槽段、挑坎段及下游河道岸坡防护组成，全长305.05m。闸室段全长32.25m，采用单孔驼峰堰型，闸室内设12m×8m的平板工作门及12m×10.5m的平板检修钢闸门。刘家拱桥溢洪道布置如图1、图2所示。

图1 刘家拱桥溢洪道平面布置

图2 刘家拱桥溢洪道剖面

溢洪道闸室检修门采用台车启闭，检修门启闭排架分为两跨，闸室段与储门槽段，排架高13.5m，最大跨度16.20m，排架顶部台车单个滑轮最大轮压荷载215kN。刘家拱桥溢洪道检修闸排架结构布置如图3、图4所示。

图3 溢洪道检修闸排架平面布置

图4 溢洪道检修闸排架剖面

2 PKPM软件设计流程

刘家拱桥水库溢洪道检修门启闭排架结构设计，主要采用PKPM软件中PMCAD、SATWE、墙梁柱施工图三大模块。PMCAD用于空间三维模型的建立和荷载输入，为前处理模块；SATWE读取PMCAD生成的几何数据及荷载数据，采用空间有限元分析计算，得出结构各个部位的内力、位移等。SATWE是结构设计模块的核心部分，墙梁柱施工图模块则是根据SATWE的计算成果，自动选配钢筋并绘制施工图，该模块为后处理模块。

PKPM软件的设计流程为：①设计者首先根据实际工程及自身经验初拟结构体型、构件尺寸，通过PMCAD模块建立模型，添加荷载；②运行SATWE模块读取PMCAD生成数据，并设置计算参数，然后进行内力、配筋计算；③分析计算结果。根据计算结果，返回到PMCAD模块中调整模型体型及尺寸；④重复步骤②、③。如此反复修正、调整以形成最优结构设计；⑤运行墙梁柱施工图模块绘制施工图。

3 PKPM在刘家拱桥水库结构设计中的应用

3.1 模型建立及应注意的问题

3.1.1 模型建立

受到启闭台车轨道间距的限制，同时考虑到起吊荷载大、跨度大以及结构受力条件的合理性，将排架柱与台车轨道梁形成框架(垂直于水流向)；由于台车在启闭平台上移动，故排架中柱间不能设置框架梁，使得整个框架结构的整体稳定性有所削弱。故运用PKPM软件对该结构进行多次建模计算，拟定最为安全可靠的排架结构。刘家拱桥溢洪道检修闸排架高13.5m，分为两跨，闸室段与储门槽段，闸室段跨度15.0m，储门槽段跨度16.2m，启闭机房位于储门槽段平台上。排架设置为3层，层高4.5m。模型如图5所示。

图5 启闭排架模型

3.1.2 应注意的问题

在建模的过程中笔者发现，刘家拱桥水库溢洪道检修闸排架结构存在有以下几个问题需要注意：

3.1.2.1 避免多余节点。建模时，构件中的多余节点会打断构件，增加网格和构件的数量，引起荷载的拆分。在该模型的建立过程中，由于多次调整结构，笔者未及时删除多余节点，导致在计算过程中多次出错，在修正、纠错再修正的过程中浪费了大量宝贵时间。因此，在建模过程中应避免多余节点，出现多余节点应及时删除。

3.1.2.2 台车轨道梁截面尺寸的输入。为方便台车轨道安装，根据金属结构安装要求，需在轨道梁顶部预留35cm的二期混凝土高度，经模型反复修正验算，拟定该启闭排架轨道梁的截面尺寸为80cm×195cm。即轨道梁一期混凝土高度为160cm，二期混凝土高度为35cm。但PKPM的参数中没有对混凝土作区分，若构件尺寸仍以80cm×195cm的截面尺寸输入，将与实际结构的受力情况不符，且趋于不利，因此需作手动修改。处理方式为：轨道梁以80cm×160cm的截面尺寸输入，将35cm厚的混凝土重作为恒载施加在轨道梁上。

3.1.2.3 虚梁的设置。根据结构要求，启闭平台上的启闭机房布置于储门槽段，故闸室段平台底部不需要设置边梁，这就使得在建模过程中，闸室段平台不封闭，不能形成平台板。此处的处理方式为：在布置边梁的位置设置虚梁，PKPM默认截面尺寸为100mm×100mm的梁为虚梁，虚梁在结构中不存在，其特点是无刚度、无自重，并不参与结构计算，只是作为模型的辅助结构存在，不影响实际结构。

3.1.2.4 次梁的添加。刘家拱桥溢洪道检修闸排架中排架柱最大间距16.2m，属大跨度结构，且启闭机房位于该跨，同时作用于该跨的设备荷载较大。经计算分析可知，该跨跨中及支座端内力较大，故在该跨中部添加交叉次梁，以优化结构受力条件。经反复修正验算，最终在该跨中部对称添加两根交叉次梁(如图2所示)。

3.2 荷载输入

3.2.1 楼面荷载

启闭机平台楼面荷载为均布恒荷载，由于PKPM梁、板、柱的自重均在程序中自动加载，故启闭机平台楼面均布恒荷载取1.5kN/m2，活载取2.0kN/m2。

3.2.2 台车荷载

该启闭设备为双吊点台车式启闭机，拥有8个滑轮，经计算，当8个滑轮均运行至储门槽跨段(最大跨16.2m)时，该位置荷载为最不利荷载。台车最大轮压按机电设备厂家提供的最大轮压取215kN，为集中荷载。由此可见，台车荷载为计算中的控制性荷载。对荷载最不利位置的确定，应通过理论分析及多次试算确定。

3.3 参数设置

PKPM采用的规范为《混凝土结构设计规范》，多用于建筑行业，因此计算参数应予以修正，以满足《水工混凝土结构设计规范》的参数要求。两者在PKPM中最主要的差异，为永久荷载分项系数与可变荷载分项系数的取值有所不同。《混凝土结构设计规范》中无结构系数γd，而《水工混凝土结构设计规范》中γd的取值为1.2，所以在计算输入每项荷载的分项系数时，必须乘以结构系数γd。因此PKPM中永久荷载分项系数与可变荷载分项系数，应分别调整为1.26和1.44。本次刘家拱桥水库溢洪道检修闸排架结构计算采用SATWE软件，其主要计算参数取值见表1所示。

表1 SATWE主要设计参数取值

4 计算结果

由于本结构跨度大，且局部集中荷载很大，在计算过程中，笔者初拟的排架结构尺寸经过多次修正调整，最终得到体型、尺寸、配筋的最优化设计，且各框架结构内力、裂缝开度、轴压比、配筋率等均满足规范要求。刘家拱桥溢洪道检修闸排架结构，最大跨框架梁、柱配筋结果如表2所示。

表2 最大跨框架梁、柱计算成果

5 结语

无论是建筑结构设计还是水工结构设计，其设计过程通常都是一个反复修正调整的过程，最终才能得到一个最优化的体型，利用PKPM进行结构设计也同样如此。设计者需要从本质上理解构筑物的体型特点、受力情况，从而灵活巧妙地建立模型。同时，将建筑行业通用的PKPM软件引入水工建筑物设计，更需要设计者理解PKPM软件采用的设计规范，清楚该规范与水工结构设计规范的异同，修正相关参数，从而更好的运用于水工结构设计。另外，采用PKPM软件进行水工结构设计，更是大大提高了设计效率，尤其对于复杂结构的设计，大大缩短了设计周期，为设计人员提供了便利。

〔1〕中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.PKPM用户手册[Z]，2001.

〔2〕GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

〔3〕GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

〔4〕DL/T5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2009.

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2095-1809(2016)02-0013-03