扶壁整体式闸室结构计算分析研究

◎ 刘灵灵 交通运输部水运科学研究院

1.引言

船闸闸室通常采用混凝土或钢筋混凝土结构，一般由闸室墙和闸室底板两部分组成。按照闸墙和底板之间的连接关系，分为整体式结构和分离式结构[1]。土基上的闸室墙常用结构型式有整体坞式、坞式双铰、重力式、悬臂式和扶壁式。

钢筋混凝土整体式结构为一种闸墙与底板连接在一起的闸室结构型式，通常指钢筋涯凝土坞式结构。另有一种钢筋混凝土悬臂式闸室结构，在底板的中间分缝，每侧的底板与闸墙整体受力，通常将这种型式也列入整体式结构。钢筋混凝土整体式结构具有结构整体稳定性好、对地基适应性较强、结构混凝土工程量较少等优点，但同时也存在闸室底板钢筋用量较大、施工技术要求较高等缺点。钢筋混凝土整体式结构一般适用于设计水头及闸室宽度均较小、基础地质条件较差的情况。如汉江王甫洲船阿(以下简称王甫洲船闸)设计水头10.8m，闸室宽度12.0m，地基为石闸室采用钢筋混凝土整体式结构[2-3]。

2.闸室布置情况

闸室采用整体式结构，全长25m，宽12m，墙顶高程534.2m，底高程528.0m，底板厚1.0m，顶部现浇厚0.6m的钢筋砼闸墙，闸墙顶部高程534.2m。墙后填土高程534.2m[4]，闸室断面图如图1所示。

图1 闸室断面图

3.主要计算参数

（1）回填土参数。

根据本项目所在地的地质情况，土压力计算采用等代指标。

水上：γ=19.0kN/m3，Ψ=30°，C=0；

水上：γ浮=10.0kN/m3，Ψ=27°，C=0；

γ饱和=20.0k N/m3，Ψ=27°，C=0。

（2）材料容重。

混凝土：24.0kN/m3；钢筋混凝土：25.0kN/m3；浆砌块石：23.0kN/m3。

（3）混凝土底板与土基摩擦系数。

一般地基非淤泥土情况下:

f=0.35。

（4）地基参数。

地基变形压缩模量

E0＝30000kN/m2，

泊松比μ0＝0.3。

（5）船舶系缆力、撞击力。

按照船闸规范系缆力采用25kN。

船舶撞击力:闸室采用50kN。

（6）风荷载。

W0=0.6kN/m2。

（7）地面活荷载。

采用均布荷载：4kPa。

4.闸室结构计算

4.1 闸室整体式结构计算

根据闸室结构型式和尺寸，针对不同的设计工况，分别进行整体稳定验算和地基反力计算，计算结果详见表1和表2。

表1 整体稳定性计算结果表

表2 地基应力值表

由表2可知，各种工况下，扶壁整体式挡土墙的地基应力值均小于第③层圆砾层的地基承载力特征值400kPa。

4.2 闸室整体式结构内力计算

结构内力计算采用MIDAS/Gen有限元软件计算。

设计低水位计算结果见图2 至图8。

图2 设计低水位-底板Mxx弯矩

图3 设计低水位-底板Myy弯矩

图4 设计低水位-底板Vxx剪力

图5 设计低水位-底板Vyy剪力

图6 设计低水位侧墙Myy弯矩1

图7 设计低水位侧墙Myy弯矩2

图8 设计低水位肋板Myy弯矩

设计高水位计算结果见图9至图14。

图9 设计高水位-底板Mxx弯距

图10 设计高水位-底板Myy弯矩

图11 设计高水位-底板Vxx剪力

图12 设计高水位-底板Vyy剪力

图13 设计高水位侧墙Myy弯矩1

图14 设计高水位侧墙Myy弯矩2

计算结果表明，整体稳定安全系数均能满足规范要求，最大地基反力小于允许承载力。

5.结语

整体式闸室是船闸闸室主要采用的结构型式之一，闸室结构内力的计算是整个结构设计的重要组成部分。本文利用有限元软件MIDAS/Gen建立闸室结构空间有限元模型对结构进行计算分析，为相关工程设计提供更准确的结构受力状况，建议工程设计时，根据各构件的受力情况对其强度及尺寸进行合理的调整。