碾盘山水利枢纽泄水闸闸墩门机大梁支撑桁架安全稳定分析

李新源

(湖北大禹建设股份有限公司，湖北 武汉 430060)

1 基本资料

1.1 工程概况

碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游干流。碾盘山水利水电枢纽的开发任务为以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为南水北调中线一期工程的引江济汉工程良性运行创造条件[1]。

枢纽采用一线式布置，自左至右依次布置左岸连接土坝段、泄水闸、电站厂房、混凝土连接坝段、鱼道、船闸和右岸混凝土连接坝段[1]。主要建筑物泄水闸按过闸流量定为1级建筑物，混凝土连接坝段、左岸土石坝、左岸副坝、河床式电站厂房等主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级；船闸上、下闸首和闸室级别为2级，导航、靠船等建筑物级别为3级。

泄水闸采用平底闸型式，共设24孔，闸孔总净宽为312 m，含闸墩厚度的总宽为427.2 m[2]。右岸Ⅰ区设12孔、底槛高程为31.82 m，底板厚度为3.2 m；左岸Ⅱ区设12孔，底槛高程为33.42 m，底板厚度为3.2 m。闸室结构采用两孔一联整体式结构，单孔净宽为13 m，中墩厚为3.2 m，缝墩厚为3.2 m[3]。Ⅰ区闸室底板建基面高程为28.62 m，顺流向长度为45 m；Ⅱ区建基面高程为30.22 m，顺流向长度为45 m。

1.2 工程条件

碾盘山水利水电枢纽工程是汉江流域综合开发的一级，位于汉江中游河段的钟祥市境内，右岸坝址位于沿山头村，距钟祥市10 km，上距在建的雅口航运枢纽58 km，下距已建的兴隆水利枢纽117 km[4]。

枢纽建筑物主要由电站厂房、泄水闸、船闸、鱼道、左岸连接土坝、左岸副坝、混凝土坝段等组成[5]。河床式厂房布置于泄水闸右侧，安装6台单机为30 MW的灯泡贯流式机组；安装场紧靠主厂房，布置于主厂房右侧；开关站采用GIS系统，布置于室内。船闸布置于右岸山头，紧接电站安装场，上下游靠厂房侧分别布置隔流堤。鱼道布置在厂房和船闸之间，位于船闸隔流堤左侧。供水取水口布置于坝址左岸上游约580 m。进场公路从右岸331省道至坝顶交通桥。

汉江在湖北省境内是仅次于长江的第二大水上交通运输命脉，碾盘山水利水电工程枢纽位于汉江的中游，上接襄阳，下通武汉。目前，崔家营至碾盘山坝址河段航道等级为Ⅳ(2)级，对应船舶吨级为500 t，施工期坝址处应采取有效措施，保证汉江水上运输畅通。汉江本河段无过水要求。下游供水需求为500 m3/s。

1.3 施工技术要求

闸墩上游布置2根门机大梁、下游布置5根门机大梁，大梁高度为2.5 m，宽度为1.2 m，跨度为13 m，每根大梁整体一次性浇筑成型。门机大梁支撑采用桁架支撑、盘扣式满堂脚手架支撑两种结构形式。

根据《水利水电工程施工安全管理导则》(SL 721—2015)规范要求，大梁支撑桁架属于工具式模板工程，且模板支撑集中线荷载达到20 kN/m以上，属于超过一定规模的危险性较大的单项工程，应编制专项施工方案，并组织专家对专项施工方案进行审查论证。

2 施工流程

支撑桁架安装流程：锚固系统安装、搭设脚手架平台、吊装垫梁并垫好调整楔铁、吊装次梁、安装护栏。盘扣式脚手架安装，立杆定位点设置、立杆、纵横向扫地杆、纵横向横杆，设置卸荷钢丝绳、立杆、纵横向横杆、外斜杆和剪刀撑、连墙件、铺脚手板、扎防护栏杆、扎安全网。大梁模板安装，弹梁轴线并复核，调整托梁、摆主梁、安放梁底模并固定，梁底起拱、扎梁筋、 安侧模、侧模拉线支撑(梁高加对拉螺栓)、复核梁模尺寸、标高、位置、与相邻模板连固[6]。

3 施工方法

锚固系统安装：根据大梁牛腿预埋图所标尺寸预埋定位锥，安装牛腿；利用现场钢管脚手架材料搭设施工平台，并加固；在提前预埋好的牛腿上先垫好调整楔铁，再安装垫梁。

支撑桁架安装：支撑桁架运输至现场时需分门别类、按编号摆放整齐；桁架安装前需按照售后服务组装图进行吊装；支撑桁架吊装安装就位后，利用剪撑固定。

次梁安装：按图纸要求将次梁安装在支撑桁架上并加固，以保证整体稳定。梁底模安装：采用组合钢模板，将梁底模平铺在次梁上，并与次梁加固牢靠。

侧模安装：采用小钢模或者组合钢模板，支撑在底模，以内拉形式固定；调整就位，测量放样，调整楔铁、模板及桁架位置，达到设计尺寸、高程及桩号。

板模板安装：梁施工完之后，在支撑桁架上搭设钢管脚手架，支撑板模板。

4 桁架支撑系统稳定计算

4.1 技术指标

桁架支撑系统的结构类型为空间桁架，主要材料采用Q235钢材，[σ]=215 N/mm2，[τ]=125 N/mm2，主要技术指标：桁架的挠度允许值为L/1 000 mm，杆件的挠度允许值为L/500 mm；受压杆件的长细比允许值为200，受拉杆件的长细比允许值为300；面板局部允许变形为L/400 mm；静载分项系数为1.2；动载分项系数为1.4。

4.2 荷载分析取值

混凝土自重γ砼=25 kN/m3，振捣荷载为2 kN/m2，模板自重为2 kN/m2，施工人员及机具荷载为1 kN，桁架自重使用软件自动考虑。

4.3 桁架结构分析计算

大梁施工支撑桁架采用下承式桁架，桁架长度为12.9 m，高度为1.7 m，每根大梁下部布置2根主桁架，桁架间距为0.8 m。荷载计算为每榀桁架承受的荷载。

混凝土自重为25×2.5×0.6=37.5 kN/m(恒载)，模板自重为2×0.6=1.5 kN/m(恒载)，人员机具荷载为1×0.75=0.75 kN/m(活载)，振捣荷载为2×0.75=1.5 kN/m(活载)。

考虑荷载分项系数：恒载为(37.5+1.5)×1.2=46.8 kN/m；活载为(1.5+0.75)×1.4=3.15 kN/m。

对二者分别进行桁架Ⅰ型和桁架Ⅱ型结构计算。

1)用SAP2000三维结构整体性能分析与设计计算软件，建立桁架Ⅰ型计算模型，输入荷载计算。计算模型见图1。

图1 桁架Ⅰ型计算模型

将活载、恒载分别都输入模型中，建立不同的荷载组合进行计算。桁架Ⅰ型活载输入见图2，桁架Ⅰ型恒载输入见图3。

图2 桁架Ⅰ型活载输入

图3 桁架Ⅰ型恒载输入

通过计算得到桁架Ⅰ型轴力图见图4，剪力图见图5，弯矩图见图6，变形图见图7。

图4 桁架Ⅰ型轴力图

图5 桁架Ⅰ型剪力图

图6 桁架Ⅰ型弯矩图

图7 桁架Ⅰ型变形图

根据软件输出的结果数据分析，混凝土浇筑施工时，Ⅰ型桁架最大应力比为0.712，小于1，最大变形12 mm，小于13 000/1 000=13 mm，支点最大支座反力为350 kN，桁架的强度及变形满足要求。

2)用SAP2000三维结构整体性能分析与设计计算软件建立桁架Ⅱ型计算模型，输入荷载计算。计算模型见图8。

图8 桁架Ⅱ型计算模型

将活载、恒载分别都输入模型中，建立不同的荷载组合进行计算。桁架Ⅱ型活载输入见图9，桁架Ⅱ型恒载输入见图10。

图9 桁架Ⅱ型活载输入

图10 桁架Ⅱ型恒载输入

通过计算得到桁架Ⅱ型轴力图见图11，剪力图见图12，弯矩图见图13，变形图见图14。

图11 桁架Ⅱ型轴力图

图12 桁架Ⅱ型剪力图

图13 桁架Ⅱ型弯矩图

图14 桁架Ⅱ型变形图

根据软件输出的结果数据分析，混凝土浇筑施工时，桁架最大应力比为0.732，小于1，最大变形12 mm，小于13 000/1 000=13 mm，支点最大支座反力为350 kN，桁架的强度及变形满足要求。

4.4 锚固系统计算

由桁架结构分析计算可得，单个钢牛腿承受的竖直向下的最大荷载为350 kN，钢牛腿结构如图15所示。

图15 支撑系统结构图

钢牛腿主要由16 mm厚的钢板组焊而成，每个钢牛腿支撑由2个定位锥固定，单个B7螺栓的剪力为350/2=175 kN，B7螺栓直径为42 mm，有效截面面积为1 120 mm2；钢板厚为28 mm，钢板挤压面积S=36×28=1 008 mm2。

τ=V/A=17.5×104/1120=156 MPa，<310 MPa

σ=175×104×200/(360×816)=119 MPa，<500 MPa

5 结论

经过SAP2000三维结构软件建立桁架Ⅰ型和桁架Ⅱ型计算模型，输入活载和恒载分别进行计算。支撑桁架、钢牛腿计算分析表明，混凝土浇筑施工时，大梁支撑桁架及钢牛腿等强度、刚度和稳定性均满足施工要求。