无锡市张巷浜节制闸改造工程结构计算浅析

(无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023)

无锡市张巷浜节制闸改造工程结构计算浅析

吕晓威何建栋周建东

(无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023)

本文从改造工程概况、闸底板结构计算、闸室稳定计算三个方面对张巷浜节制闸改造中的结构计算进行分析。根据单宽板条平衡条件，推求不平衡剪力；依据剪力分布，采用积分法确定闸墩和底板剪力分配系数。针对性计算均布荷载、集中荷载、边荷载，核定闸室底板弯矩。依据《水闸设计规范》(SL 265—2001)要求，确定闸室稳定计算条件，列举地基应力、应力不均匀系数、闸室抗滑稳定系数、闸室抗浮稳定系数等计算方法。本文论证了节制闸改造工程的典型计算方法，阐明了计算过程，以期为类似节制闸改造提供借鉴。

张巷浜节制闸；单宽板条平衡条件；积分法；闸室稳定

1 引 言

太湖新城、梁溪河片区位于无锡市京杭运河以西，由于现有水利工程存在一些薄弱环节，现规划建立运西片防洪排涝控制圈。张巷浜位于运西片区内，西接梁溪河、东入京杭运河，河道总长约720m，河口宽10～40m，河道沿线均已建有挡墙。2005年，张巷浜节制闸建成，隶属仙蠡桥水利枢纽附属工程，具有阻止梅梁湖水流入京杭大运河、保障梁溪河水与京杭大运河自由交换等功用。

伴随运西片防洪体系建设，张巷浜节制闸运行工况产生较大变化，由以调水功能为主转而变为以防洪功能为主。根据新的运行水位要求，该节制闸已经不能满足防洪要求，极易遭受洪涝威胁，防洪形势较为严峻。为解决上述问题，拟按新的运行工况对张巷浜节制闸进行拆建改造，本文针对节制闸改造工程中的结构计算进行分析，以期为类似工程提供借鉴。

2 改造工程概况

为顺应社会需求，结合工程现状，确定节制闸防洪标准为200年一遇。该区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期为0.35s。故工程地震设计烈度采用Ⅵ度，依据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—1997)规定，可不进行抗震计算[1]。

张巷浜接近梁溪河口处新建单孔净宽20m节制闸(钢坝)，钢坝净高4.0m，坝顶高程5.90m，拟采用两台液压启闭机同步启闭。工程中涉及外围防洪工程等别为Ⅱ等，沿河堤防工程为2级建筑物，支河口门控制建筑物为2级水工建筑物，施工围堰等临时建筑物级别为3级。

节制闸净宽20m，单侧启闭机室宽4.5m。以闸门为界，闸室分上下游段，下游设计底板顶高程1.00m、厚1.80m，上游设计底板顶高程1.90m、底板厚2.70m。启闭机室顶高程6.00m，中墩厚0.90m，边墩厚0.80m，启闭机墩台顶高程2.88m，启闭机室两侧回填土高程6.00m。

3 闸底板结构计算

3.1 不平衡剪力

3.1.1 不平衡剪力计算

下游侧单宽板条不平衡剪力计算简图如图1所示。底板自重：q1=25×1.8=45.0kN/m。下游水重：q2=10×2.6=26.0kN/m。地基反力：q3=4.7/14.3×(76.48-69.41)+69.41=71.7kN/m。

下游侧闸墩单宽自重及上部结构荷重：单个中墩的单宽自重P1=5×0.9×1×25=112.5kN；单个边墩的单宽自重P2=5×0.8×1×25=100.0kN；作用于单个墩墙上部结构(房屋+楼板)的单宽自重P3=2×10×1+1.4×0.2×25=27kN；启闭机室高程1.00m以上单宽混凝土自重q4=1.878×25=47.0kN/m。

根据下游段单宽板条的平衡条件，以及∑Y=0，可推求单宽板条上的不平衡剪力ΔQ。

2(P1+P3+P2+P3)+29q1+2×2.8q4

+20q2-29q3+ΔQ=0[2]

经计算得ΔQ=-20.7kN。

图1 计算简图(单位： mm)

3.1.2 不平衡剪力分配

不平衡剪力由闸墩和底板共同承担，可根据受弯构件的剪力分布进行分配，如图2所示。

图2 不平衡剪力计算(单位： mm)

3.2 单宽板条上荷载

均布荷载(未考虑自重)qa=ΔQ2/29=-5.6/29=-0.19kN/m，考虑部分底板自重，对该负值均布荷载进行抵消[4]。

中墩处集中荷载Pa=P1+P3+ΔQ1[d1/(2d1+2d2)]=135.5kN(单个)。边墩的集中荷载Pb=P2+P3+ΔQ1[d2/(2d1+2d2)]=123.44kN(单个)。启闭机室墩台简化集中荷载Pc=2.8q4=131.46kN(单个，启闭机室2.8m宽)。回填土土压力及水压力作用力偶Ma(顺时针为正)计算如下：

式中γ——挡土墙墙后填土重度，kN/m3，取18kN/m3；

Ka——主动土压力系数，Ka=tan(45°-φ/2)2=0.57；

h2——墙后土压力计算高度，m，5.33m。

左侧回填土土压力及水压力作用力偶Ma=258.93kN·m，右侧回填土土压力及水压力作用力偶Mb=-258.93kN·m。

节制闸南侧为老河道，边荷载的影响范围取5.8m回填范围，均匀分布；均布荷载取值为填土面至底板底面6.8m的填土重量，以长度0.1×14.5=1.45m分4个条分，每个条分简化为一个集中荷载(P1～P4)分别计算，最后进行叠加。节制闸北侧根据设计开挖线进行取值，取6×1.45=8.7m回填范围，均布荷载根据回填土重量分段取值，简化为6个集中力(P1～P6)计算，最后进行叠加[5]。边荷载计算如图3所示。

图3 边荷载计算示意图(单位：mm)

南侧边荷载：P1=P2=P3=P4=h1×18×1.45=177.48kN。北侧边荷载：P1=177.48kN，P2=159.7kN，P3=124.1kN，P4=88.7kN，P5=52.9kN，P6=17.3kN。

3.3 底板内力计算

梁的柔性指数是反映梁与地基之间相对刚度的一种指标，可近似按下式计算：

式中E0——地基变形模量，4.16N/mm2；

Eh——混凝土弹性模量，3.15×104N/mm2；

l——地基梁的半梁长度，14.5m；

h——梁的高度，1.80m。

计算可得：t=0.69，取t=1。

梁内弯矩采用郭氏表法计算[6]，底板弯矩图如图4所示。

图4 完建期底板弯矩

3.4 强度复核

c. 裂缝计算。

4 闸室稳定计算

按《水闸设计规范》(SL 265—2001)要求，闸室稳定应满足下列要求：ⓐ各种计算情况下闸室平均基底压力不大于地基容许承载力，3层重粉质壤土容许承载力140kN/m2；ⓑ基底压力最大值与最小值之比不大于规定的容许值(基本组合1.50、特殊组合2.00)；ⓒ基底压力最大值不大于地基允许承载力的1.2倍；ⓓ抗滑、抗浮稳定安全系数大于规定容许值，其中，抗滑基本组合1.30、特殊组合1.15，抗浮基本组合1.10、特殊组合1.05。

4.1 地基应力

结构布置、受力情况对称时，按下式计算：

∑G——闸室上竖向荷载，kN；

∑M——闸室上竖向荷载和水平荷载对于基础底面垂直水流方向形心轴的力矩，kN·m；

A——闸室基础底面面积，m2；

W——闸室基础底面垂直水流方向形心轴截面矩，m3。

结构布置、受力情况不对称，可按下式计算：

式中 ∑Mx、∑My——闸室上竖向荷载和水平荷载对基础底面形心轴x、y的力矩，kN·m；

Wx、Wy——闸室基础底面对于形心轴x、y的截面矩，m3。

4.2 应力不均匀系数

应力不均匀系数可按下式计算：

式中Pmax——闸室基底应力的最大值，kPa；

Pmin——闸室基底应力的最小值，kPa。

4.3 闸室抗滑稳定系数

闸室抗滑稳定系数可按下式计算：

∑H——闸室上全部水平荷载，kN。

4.4 闸室抗浮稳定系数

闸室抗浮稳定系数可按下式计算：

式中 ∑V——闸室向下铅直力的和，kN；

∑U——闸室基底面上扬压力，kN。

5 结 语

张巷浜节制闸位于运西片区内，隶属仙蠡桥水利枢纽附属工程。伴随运西片防洪体系建设，节制闸运行工况产生较大变化，需对其进行拆建改造。本文针对节制闸改造工程中的问题，从改造工程概况、闸底板结构计算、闸室稳定计算三个方面对改造中的结构计算进行分析，论证了计算方法，阐明了计算过程，以期为类似节制闸改造提供借鉴。

张巷浜节制闸防洪标准为200年一遇，工程地震设计烈度为Ⅵ度，可不进行抗震计算。改造工程中涉及外围防洪工程等别为Ⅱ等，支河口门控制建筑物为2级水工建筑物。节制闸净宽20m，以闸门为界，闸室分上下游段，分别设计地板高程和厚度。

根据下游段单宽板条的平衡条件，以及∑Y=0，推求单宽板条上的不平衡剪力。不平衡剪力由闸墩和底板共同承担，依据受弯构件的剪力分布进行分配，采用积分法确定闸墩和底板的剪力分配系数。选定节制闸代表性受力部位，分别计算均布荷载、集中荷载、边荷载。核定结构中梁的柔性指数，采用郭氏表法计算闸室底板弯矩。分析改造工程的混凝土、钢筋条件，计算受弯承载力和裂缝宽度，验证其是否满足强度要求。

依据《水闸设计规范》(SL 265—2001)要求，闸室稳定应满足：闸室平均基底压力不大于地基容许承载力，基底压力最大值与最小值之比不大于规定容许值，基底压力最大值不大于地基允许承载力的1.2倍，抗滑、抗浮稳定安全系数大于规定容许值。本文分别列举了推荐的地基应力、应力不均匀系数、闸室抗滑稳定系数、闸室抗浮稳定系数计算方法。

[1] 雷莹. 刘家道口节制闸闸墩钢模板结构设计[J]. 水利水电施工, 2012(3):25-26.

[2] 汪贵红. 蚌埠闸节制闸抗震复核计算与分析评价[J]. 江淮水利科技, 2004(2):34-35.

[3] 许尚伟. 预应力混凝土闸墩结构计算分析研究[D]. 济南: 山东大学, 2010.

[4] 姜楠. 松北水城天玑湖进水闸应力分析与结构计算[J]. 黑龙江水利科技, 2013, 41(6):64-65.

[5] 郑彩霞. 平原地区水闸设计优化理论分析[D]. 济南: 山东大学, 2006.

[6] 贾艳霞, 靳翠红. 浅析任文干渠后赵节制闸工程设计[J]. 南水北调与水利科技, 2013, 11(01): 126-128.

AnalysisonstructurecalculationinWuxiZhangxiangbangRegulatorRenovationProject

LÜ Xiaowei, HE Jiandong, ZHOU Jiandong

(WuxiWaterConservancyDesignResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuxi214023,China)

In the paper, the structure calculation in Zhangxiangbang regulator renovation is analyzed from three aspects of renovation project profile, sluice board structure calculation and gate chamber stability calculation. The unbalanced shear force is deduced according to the balance condition of single width plate. Integral method is adopted for determining the gate pier and bottom board shear distribution coefficient according to shear force distribution. The uniformly distributed load, centralized load and lateral load are calculated in a targeted mode. Gate chamber bottom board bending moment is checked. The gate chamber stability calculation conditions are determined according to requirements of ‘Water Gate Design Specification’ (SL 265—2001). The calculation methods are listed, such as foundation stress, stress non-uniform coefficient, gate chamber anti-slip stability coefficient, gate chamber anti-floating stability coefficient and other calculation method. In the paper, the typical calculation method of sluice renovation project is discussed. The calculation process is clarified, thereby providing reference for similar regulator reform.

Zhangxiangbang regulator; single width plate balance condition; integral method; gate chamber stability

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.011

TV66

B

1005-4774(2017)010-0043-05