滨海软基通航孔闸底板内力计算方法探讨

2021-12-14王思照李欢欢

浙江水利科技 2021年6期

王思照，李欢欢

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

1 问题的提出

通航孔闸、船闸等钢筋混凝土结构的特点是：闸底板跨度较大，结构整体荷载的90%均分布在两侧边墩上，为满足刚度及控制裂缝等需求，底板厚度一般不小于1.5 m。对于深厚软土地基上的通航孔闸，一般采用桩基础处理。传统的水闸底板计算方法包括：倒置梁法[1]、反力直线法[1]、弹性地基梁法[2]及有限元法[3]等。如何考虑闸底板与桩基的协同作用，选取合适的计算方法，对满足工程设计的精度及进度要求至关重要。本文以某通航孔闸结构为例，采用倒置梁法、弹簧支座梁法、有限元法对闸底板进行结构内力分析，为类似工程设计计算提供参考。

2 工程实例

某工程通航孔底板厚1.5 m，净跨16.0 m，左岸闸墩宽2.0 m，右岸闸墩宽3.0 m。闸底板下打设45.0 m 长C30 钢筋混凝土灌注桩，桩径80 cm，垂直水流向桩间距2.6 m，顺水流向桩间距2.4 m，桩位布置见图1。闸墩上部结构及自重转换荷载为左岸闸墩f1=576.9 kPa，右岸闸墩f2=508.3 kPa。底板基础为深厚淤泥质软土，力学指标差。通航孔底板内力是配筋计算和裂缝计算的基础，由于前期桩基尺寸布置已定，因此，如何准确计算底板内力，合理设计底板尺寸，成为控制配筋及裂缝的主要手段。

图1 桩位平面布置图单位：cm

3 计算方法

采用倒置梁法、弹簧支座梁法及有限元法对该通航孔闸底板进行结构内力分析。

3.1 倒置梁法

取1.0 m 宽板带计算底板受力，以两边闸墩中心线位置当支座，地基反力均匀，将闸墩上的荷载等效计算分布为地基均布反力p=127.56 kPa，计算简图见图2（a），杆单元的材料参数见表1，弯矩结果见图2（b），最大正弯矩位于右岸闸墩底部，Mmax=143.5 kN · m，最大负弯矩位于闸底板顶面，Mmin=-5 350.6 kN · m。支座反力见图2（c），支座1 反力F1=-1 303.1 kN，支座2 反力F2=-1 375.5 kN。该法假设地基反力均匀分布，底板和闸墩交界处假设为固定端，不考虑闸墩处的相对变位情况，不考虑桩基与底板共同作用，与实际工程不符，且支座反力结果与闸墩实际传导荷载f左=1 153.8 kN，f右=1 524.9 kN 相差较大。

表1 闸底板参数选取表

图2 倒置梁法计算简图及内力图

3.2 弹簧支座梁法

弹簧支座梁法假设桩为弹簧支撑，弹簧刚度为桩的线刚度，闸墩范围内转动刚度近似于无穷大，闸墩与底板交界处存在转动，因此在闸墩边缘近似采用带弹簧的定向支座，计算模型见图3（a）。等效弹簧桩的参数包括：桩的线刚度（EA/lz）及定向支座转角刚度S（S=i=EI/ln）。其中桩基等效EA按2.4 m 间距取板带，并换算到1.0 m 矩形板带计算，计算得到EA=5 105 088。桩的线刚度（EA/lz）=5 105 088 kN/45 m=113 446.4（kN/m），定向支座转角刚度S=EI/ln=9 140 625（kN · m2）/16 m=571 289.1（kN · m）

图3（b）为计算模型弯矩图，最大正弯矩出现在3.0 m 闸墩底部，Mmax=681.1（kN · m），最大负弯矩位于底板顶面，Mmin=-1 613.7 （kN · m）。图3（c）为弹簧支座的反力，即桩基础的轴力。由图3（c）可见，主要由最边缘2 排桩承受上部荷载。图3（d）为闸墩及底板变形图，由图3（d）可见，由于桩基不均匀变形，导致闸墩微倾。

图4 为不同转动刚度下的弯矩图。由图4 可见，闸墩处弹簧转动刚度的存在，在减小跨中弯矩的同时，使得闸墩底部正弯矩大幅增加，对通航闸底板弯矩进行重新分配。因通航孔两侧闸墩下只设了1 排桩基，荷载全部通过两侧闸墩传递，导致两侧闸墩受力较大，变形较大，结合图3（d）可见，两侧桩基沉降较大。

图3 弹簧支座梁法计算简图及内力图

3.3 有限元法

3.3.1 计算模型建立

上述弹簧支座梁法未考虑桩土的相互作用，假设上部荷载全部由桩承担并传至桩底，不考虑桩间土相互作用，而实际上软土地基水闸的桩基均为摩擦桩，因此上述模型仍有局限性。本节采用ABAQUS 6.13 软件[4]建立通航孔模型（见图5）。模型中将桩基等效为桩墙，为简化模型，闸墩设置为等高，2.0 m 高度差转化为等效荷载。