某水电站泄洪冲沙孔弧形闸门闸墩配筋计算分析

2017-08-09张小刚张栏馨

水利水电工程设计 2017年2期

张小刚张栏馨陈衍

张小刚张栏馨陈衍

现阶段水电站泄洪冲沙底孔弧形闸门支撑梁型式的预应力混凝土闸墩配筋时无直接的规范章节对应计算，近些年设计过程中大多将支撑梁简化为DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》13.11节中的支座型式。DL/T 5057—2009发布之前，也有部分工程按常规的大偏心受拉公式或DL/T 5057—2009中13.10节的力矩平衡公式计算。阐述了支撑梁型式的闸墩设计中碰到的三种配筋方式：力矩平衡公式、简化支座公式、大偏心受拉公式。结合某工程实例对比分析三种计算方法的特点。计算表明：力矩平衡公式计算粗糙，计算成果偏大；简化支座公式将支撑梁简化为支座受力形式，可直接参考现有的规范，可操作性强；大偏心受拉公式实际为新规范13.11节简化支座公式的原型，计算需建立在经验和深入分析公式意义上进行，但计算结论与简化支座公式基本一致。

预应力混凝土弧形闸门支撑梁闸墩配筋

高水头大坝泄洪放空底孔弧形闸门闸墩需承受闸门传递的巨大推力，闸墩部位的配筋一直是设计过程中比较重视的环节。为了使巨大弧门推力更好地传导至闸墩上，往往泄洪放空底孔部位采用支撑梁型式的传递结构。支撑梁型式如图1和图2。

DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》规范(简称新规范)中专门指导弧形闸门闸墩配筋的章节为13.10和13.11节，其中13.10节同DL/T 5057—1996《水工混凝土结构设计规范》老规范的10.9节。新规范新增的13.11节也主要针对预应力混凝土支座型式的闸墩配筋[1-2]，而支撑梁型式的闸墩配筋无直接的规范章节对应。设计过程中一般将其简化为13.11节中对应的弧形闸门支座型式计算。

因DL/T 5057—1996《水工混凝土结构设计规范》版本中无“弧形闸门预应力混凝土闸墩(新规范13.11节)”一节[1]。在新规范2009版以前，针对支撑梁型式的闸墩配筋，工程实践中一般按力矩平衡公式或常规的大偏心受拉公式计算，这两种计算方法在现阶段某些工程设计中仍有应用。

本文将以上提到的3种计算方法归纳为：(1)新规范13.10节对应的主要公式，简称力矩平衡公式；(2)新规范13.11节对应的主要公式，简称简化支座公式；(3)新规范11.4节对应的预应力大偏心受拉公式[4]。

以下结合具体的工程实例，针对支撑梁型式弧门闸墩配筋计算的特点，对设计中遇见的3种计算方法分别进行验算，在基本输入参数均一致的前提下，比较预应力闸墩配筋计算所得的锚索根数，并分析各计算方法的特点，以期对工程设计有所参考[3]。

1 计算参数及条件

1.1 计算参数

为了使计算结果具有可比性，计算涉及的输入参数均相同。主要参数见表1。其他统一参数如下，公式中的预应力筋类型统一选用450 t级无黏结型锚索[5]，单根预应力锚索的设计值为Fm1=4.5×106N[6]；闸墩部位扇形钢筋均选用Φ36 mm的三级钢筋，布置双排Φ36 mm(单排29根)，扩散角为1.5°[7]；钢筋及混凝土的力学参数按新规范第6章对应表统一选取。

根据工程级别及弧门运行条件，作用系数取值如下：永久作用分项系数γQ=1.05 ，结构重要性系数γ0=1.1，设计状况系数φ=1.0，结构系数γd=1.2。

表1 支撑大梁的截面特性及主要参数表

1.2 基本计算条件

计算前提条件：(1)选择泄洪放空底孔支撑梁闸墩的边墩进行配筋，边墩按预应力闸墩分析；(2)限于篇幅，文中计算只罗列了核心计算公式，其他计算过程未详列；(3)三种计算均在相同计算参数和配置相同数量的非预应力扇形钢筋的情况下进行；(4)文中省略弧门支座宽度b，支座高度h的取值计算过程，均按相同断面计算，支撑梁设计断面尺寸如图1和图2。

图1 支撑大梁剖面图(单位：mm)

图2 支撑大梁1-1剖面(单位：mm)

2 力矩平衡公式计算

2.1 计算基本公式

根据规范(DL/T 5057—2009)13.10节，闸墩受一侧弧门支座推力作用时，应满足公式(1)。

(1)

式中，F为闸墩一侧弧门支座推力的设计值；Asi为闸墩一侧局部受拉有效范围内的第i根局部受拉钢筋的截面面积；fy为局部受拉钢筋的抗拉强度设计值；B'0为受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离；as为纵向钢筋合力点至截面近边缘的距离；θi为第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角。

2.2 配筋基本原理

根据公式(1)右侧的计算式，分别计算非预应力扇形钢筋和预应力锚索的最大承载拉力，二者的承载合力大于支座推力设计值F即满足计算要求。

2.2.1 非预应力扇形钢筋承担的拉力计算

(2)

根据式(1)右侧式计算扇形钢筋承受的拉力合力为：Ff=Ff1+Ff2。其中Ff1为外侧排钢筋拉力值，Ff2为内侧排钢筋拉力值。

2.2.2 预应力锚索承担的拉力计算

本工程选用450 t级预应力锚索，单根锚索预应力设计值为Fm1=4.5×106N。锚索按平行弧门主推力方向布置。依据式(1)右侧计算式，锚索所承担的合力计算式为：

(3)

式中，n为锚索布置根数，Fms为锚索合力。

2.3 配筋成果

当扇形钢筋布置双排Φ36 mm(单排29根)时，根据公式(1)，按扇形钢筋和锚索承担的合力大于支座推力控制，力矩平衡公式(1)需配置450 t级锚索15根。

表2 力矩平衡公式配筋成果表

3 简化支座公式计算

3.1 主要配筋公式

支撑大梁简化方式为：假定支撑大梁从中间截面断开，将其简化为悬臂梁型式，悬臂梁在单侧弧门推力设计值的作用下，按规范(DL/T 5057—2009)13.11节相应公式配筋计算。

(4)

(5)

式中，B0为颈部截面有效高度，即受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点至受压边缘的距离；e为弧门推力作用点至受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点之间的距离；其他字符含义参考规范(DL/T 5057—2009)第183页。

根据式(4)、(5)计算得配筋成果表3。

表3 简化支座公式配筋成果表

3.2 其他验算

通过规范(DL/T 5057—2009)13.11节计算的配筋量，同时需要满足闸墩颈部抗裂控制的规定，也要满足规范规定的其他构造要求，经验算均满足要求。本文不再详述。

4 大偏心受拉公式计算

4.1 主要配筋公式

因规范(DL/T 5057—2009)13.11节适用支座形式的预应力闸墩配筋，针对支撑梁结构形式，本节简化为大偏心受拉构件进行预应力闸墩配筋，简化方式同4.1节所述。根据规范(DL/T 5057—2009)11.4节矩形截面大偏心受拉构件承载力计算公式(6)、(7)。

(6)

(7)

式中，h0为截面有效高度；e为弧门推力作用点至受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点之间的距离。

仔细分析公式(6)、(7)，公式表达内容与公式(4)、(5)基本一致，因此，经代入参数计算，配筋计算结果是一致的(见表4)。

表4 大偏心受拉构件计算配筋成果表

4.2 其他验算

以上计算成果同时也需要满足规范(DL/T 5057—2009)13.6节抗裂验算及13.7节裂缝宽度计算。经验算，该成果均能满足规范要求。本文不再详述。

5 结语

相对于(DL/T 5057—1996)版规范，(DL/T 5057—2009)新增了13.11节，明确了弧形闸门支座预应力闸墩配筋方法，但没明确是否适用支撑梁形式。本文分别根据2009版新规范的13.10节和13.11节两种方法进行配筋计算。计算成果见表5。

(1)三种配筋方式中，按新规范13.10节力矩平衡公式计算出的锚索配置量最多，约多出其他两种方法约1/3的锚索量。

表5 三种配筋计算方法配筋量成果对比表

(2)根据规范(DL/T 5057—2009)13.11节弧形闸门预应力混凝土闸墩计算公式计算的成果比规范中11.4节大偏心受拉构件计算的成果基本一致。13.11节公式(4)、(5)进行了有针对性的细化：一是根据闸墩钢筋的布置型式一般是扇形的特点，对钢筋面积的计算方法进行了细化；二是更加明确了公式相关参数的取值方式。如公式中B0明确是指受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点至受压边缘的距离。有利于闸墩设计计算时取值方便，不致产生歧义。另外，13.11节明确了抗裂验算的公式及计算方法，相比11.4节计算后还需按13.6节及13.7节进行繁琐的抗裂验算更为方便。

(3)三种计算方法中，新规范13.10节力矩平衡公式计算过程最粗糙，与实际配筋结果偏差较大，不推荐在设计过程中作为最终配筋成果采用。充分理解了公式(4)、(5)和公式(6)、(7)的具体含义后，两种计算方法的差异不大，但13.11节的公式可操作性更强，抗裂验算方法更明确。

(4)现阶段支撑梁型式的闸墩配筋需简化后按13.11节公式计算，这种简化因忽略了支撑梁自身的刚度，按13.11节计算的预应力配筋整体应是偏安全的。

(5)限于篇幅，本文只选取了主要公式说明，未进一步对规范要求的抗裂验算内容细化分析，实际工程配筋过程中要充分重视这部分的计算[7-8]。

[1] DL/T 5057—1996 水工混凝土结构设计规范[S].

[2] DL/T 5057—2009 水工混凝土结构设计规范[S].

[3] 钮新强，汪基伟，章定国.水工混凝土结构设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[4] 陈毅峰，雷声军.预应力闸墩设计关键问题的思考[J].水力发电，2014(3): 31-33.

[5] 张友科;傅倩.有黏结和无黏结预应力锚索在混凝土结构中的应用[J].西北水电，2007(4): 30-33.

[6] DL/T 5176—2003 水电工程预应力锚固设计规范[S].

[7] 陈强，黄欣，廖桂英.预应力闸墩设计相关技术问题的调研与探讨[J].水电站设计，2014(9): 16-20.

[8] 周海慧．龙滩水电站表孔预应力闸墩初步设计[J]．红水河，2003(3): 1-5．

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