大尺寸弧门支承梁结构设计及闸墩受力状态研究

刘益锋

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

1 工程概况

图尔古松水电站位于哈萨克斯坦图尔古松河上，装机容量为24.9 MW，正常蓄水位（设计洪水位）567.50 m，校核洪水位569.00 m，总库容0.087 9亿m3，坝顶高程571.00 m，最大坝高36.50 m，为Ⅳ等小（1）型工程。电站采用河床式布置，泄水建筑物共布置1 孔溢流表孔及2 孔泄洪深孔，其中泄洪深孔坝段宽20.00 m，顺水流方向长33.50 m，弧形工作闸门孔口尺寸为5.00 m×8.00 m（宽×高），孔底高程539.00 m。

2 弧门支承梁断面设计

2.1 支承梁布置型式及尺寸拟定

目前，弧门支承体的结构型式主要有牛腿、锚块、悬臂深梁及跨孔口深梁等几种类型[1]，当泄洪孔口为大跨度、多孔口结构，整个闸室处于地质条件较好的基岩上时，为使结构体型简单，施工方便，可考虑采用锚块式支承体结构；当高水头泄洪孔口或孔口闸墩为缝墩或孔口宽度较小时，为提高坝体的刚度以抵御地震作用及高速水流引起的震动，减小偏心受力的不利影响，可采用跨孔口的深梁型式[2]。考虑到该工程泄洪深孔孔口宽度仅为5.00 m，因此将弧门支承梁设成两端固支于闸墩上的深梁。

在弧门启门瞬间，支承梁承受弧门推力最大；单个支铰垂直支承梁方向推力11 400 kN，平行支承梁推力1 100 kN，侧推力80 kN。

支承梁的基本断面为2.50 m×2.50 m 的矩形，考虑到运行期检修要求，将支承梁顶部设成水平面。弧门支承梁上游面与支铰作用力方向垂直，且支铰作用力方向通过支承梁上游面中心，弧门支承梁结构布置见图1。

图1 弧门支承梁结构布置图

2.2 支承梁内力计算

弧门支承梁承受荷载为自重和弧门推力，弧门支承梁可简化为两端支撑于闸墩上的受弯构件。为计算端部及跨中配筋，按2 种工况进行计算：1）两端固结，此时两端负弯矩最大，以此结果来配置负弯矩钢筋；2）两端简支，此时跨中弯矩最大，以此结果来配置中部受拉钢筋。

通过计算，支座最大负弯矩产生于两端固结工况，M支座max=9 736.84 kN·m；跨中最大正弯矩产生于两端简支工况，M跨中max=12 256.70 kN·m。两端固结及两端简支工况下，最大剪力的大小及产生的位置相同，均产生于弧门支铰荷载作用处，Qmax=12 327.52 kN。

2.3 支承梁截面复核及配筋计算

1）正截面受弯承载力验算

根据DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》（以下简称《规范》）第13.7.3 条规定，对深受弯构件的正截面受弯承载力进行验算。为方便施工，采用对称配筋。经计算，选用29ϕ32 的Ⅲ级钢筋作为弧门支承梁的纵向受力钢筋，钢筋截面面积能满足正截面抗弯承载力要求。

2）斜截面受剪承载力

弧门支承梁基本断面尺寸为2.50 m×2.50 m的矩形，经计算，截面满足《规范》第13.7.4 要求；支承梁布置ϕ25@100 的箍筋，箍筋为四肢箍，满足《规范》13.7.5 斜截面受剪承载力要求。

3）抗裂验算

弧门支承梁所处的环境为二类环境，由于支承梁混凝土保护层厚度大于50 mm，因此最大裂缝宽度限值为0.35 mm。根据《规范》第10.2.2 要求，经计算，最大裂缝宽度为0.33 mm，满足正截面裂缝宽度控制要求。

3 闸墩扇形钢筋设计

3.1 闸墩局部受拉区扇形钢筋截面面积

式中：F为闸墩一侧弧门支座推力的设计值，kN；γd为钢筋混凝土结构的结构系数；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，mm2；fy为局部受拉钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2；B′0为受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离，mm；as为纵向钢筋合力点至截面近边缘的距离，mm；θi为第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角，（°）；e0为弧门支座推力对闸墩中心线的偏心距，mm；B为闸墩厚度，mm。

经计算，边墩布置3 排扇形筋，第1，2 排均布21ϕ36，第3 排布21ϕ32；中墩布置3 排扇形钢筋，第1 排布21ϕ36，第2，3 排均布21ϕ32。

3.2 闸墩扇形钢筋布置

闸墩局部受拉钢筋考虑扇形配筋方式，扇形钢筋与弧门推力方向的夹角不宜大于30°，工程上部扇形钢筋与弧门推力方向的夹角30°，下部扇形钢筋与弧门推力方向夹角30°，扇形筋间夹角为3°。

4 弧门支承梁及闸墩受力状态研究

当闸门关闭时，其承受的水压力将通过支承梁传递至闸墩，再通过闸墩扇形钢筋将集中力传递至上游部分。在较大弧门推力作用下，弧门支承梁会产生较大变形，同时在闸墩颈部会产生明显的应力集中，支承梁、闸墩及坝体之间相互作用，受力情况较为复杂。因此有必要通过有限元计算，分析支承梁及闸墩的受力状态。

4.1 计算模型

以泄洪深孔坝段为研究对象，对单个坝段进行建模，计算模型见图2。地基范围从坝踵和坝趾分别向上、下游取1.5 倍坝高，地基深度取1.5 倍坝高。有限元模型的坐标系：水流方向为X轴方向，向下游为正；沿高度方向为Y轴方向，向上为正；垂直水流方向为Z轴方向，向右岸为正。模型约束情况：地基底面为三向约束，上、下游面和侧面均为法向约束。混凝土及地基岩土本构模型均为线弹性模型。

图2 整体有限元计算模型

4.2 计算参数

为简化计算，坝体混凝土采用C30 钢筋混凝土，地基基岩为花岗闪长岩，材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数表

4.3 计算工况及荷载组合

分别对两种工况进行计算，工况1：电站正常运用，两扇弧门同时开启瞬间；工况2：检修工况，一侧弧门关闭检修，另一侧弧门开启瞬间。两种工况上游水位567.50 m，下游水位540.00 m，荷载组合均为自重+水重+静水压力+扬压力。

4.4 计算结果分析

对两种计算工况下的弧门支承梁及闸墩结构进行三维有限元分析，研究支承梁及闸墩颈部的应力特征。

计算结果表明：在较大弧门推力作用下，闸墩颈部均产生拉应力，工况1，2 条件下，闸墩颈部最大拉应力分别为4.58，4.44 MPa，超出闸墩C30 混凝土的抗拉强度标准值；在工况2 条件下，由于受偏心荷载作用，闸墩表面拉应力超出混凝土抗拉强度标准值的范围较工况1 更大；但拉应力向上游衰减较快，距颈部断面垂直距离约0.80 m，应力已经小于混凝土抗拉强度标准值。

在中墩表面第一主应力极值处沿闸墩厚度方向进行映射，得出两种工况下沿闸墩厚度方向第一主应力分布图，见图3。由图3 可知，工况1 由于结构受力对称，在对称荷载作用下，中墩两侧均产生较大拉应力；工况2 由于结构受力不对称，中墩在挡水一侧产生较大拉应力，且拉应力沿厚度方向逐渐减小；闸墩主应力仅表面超出混凝土的抗拉强度标准值，由于闸墩表面已经配置了分布钢筋和扇形钢筋，认为混凝土和钢筋联合受力可以满足要求。

5 结语

对弧门支承梁进行断面设计及配筋计算，同时分析支承梁及闸墩在较大弧门推力作用下的受力特性，得出如下结论：

图3 中墩沿典型路径第一主应力分布图

1）对弧门支承梁的设计可按简支和固支进行简化，结合图尔古松水电站弧门支承梁设计可知，设计断面和配筋满足抗弯、抗剪及裂缝宽度要求，可作为结构设计依据。

2）弧门支承梁附近闸墩在两侧或一侧支座推力作用下，支座与闸墩交接处容易出现垂直于推力方向的裂缝，并沿厚度方向发展。为限制裂缝开展，需在闸墩局部受拉区布置扇形钢筋。

3）通过三维有限元软件分析弧门支承梁及闸墩受力状态，分析认为，在较大弧门支座推力作用下，闸墩颈部拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，但拉应力向上游衰减较快；且沿闸墩厚度方向，仅表面混凝土拉应力超出混凝土抗拉强度标准值，可通过配置扇形钢筋来限制裂缝的开展。并为同类工程的设计提供参考。