張玉平

（湖南五凌電力有限公司大壩監(jiān)測(cè)中心,長(zhǎng)沙 410004）

五強(qiáng)溪水電站位于沅水干流上，五強(qiáng)溪船閘是五強(qiáng)溪水電站唯一的通航設(shè)施，閘室為二級(jí)建筑物。該船閘分為三級(jí)，三級(jí)船閘的設(shè)計(jì)水頭分別為37.7，27.7，24.0m，其中第一閘室是我國(guó)目前服役船閘中規(guī)模最大、水頭最高的船閘，最大設(shè)計(jì)水頭為37.7m，總水頭60.9m的三級(jí)船閘［1］，船閘閘室側(cè)墻及底板為鋼筋混凝土，采用限裂設(shè)計(jì)。船閘于1994年底建成，1995年2月10日首次通航。根據(jù)JTJ 261265《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.3.7條規(guī)定，“船閘結(jié)構(gòu)（混凝土或砌石）一般采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法驗(yàn)算應(yīng)力。對(duì)于高閘墻及較復(fù)雜的地質(zhì)條件，除采用材料力學(xué)方法計(jì)算外，宜同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn)或采用有限元法進(jìn)行計(jì)算研究”。對(duì)五強(qiáng)溪一閘室采用材料力學(xué)法對(duì)兩側(cè)墻進(jìn)行配筋計(jì)算，其他部位需用有限單元法計(jì)算。

1 材料力學(xué)法計(jì)算

將五強(qiáng)溪一閘室的側(cè)墻與底板所乘載的力分為水平方向應(yīng)力、鉛直方向應(yīng)力、第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力等。閘室側(cè)墻為一大體積混凝土結(jié)構(gòu)，與重力壩類似，設(shè)計(jì)時(shí)可參考重力壩應(yīng)力計(jì)算方法，用材料力學(xué)法計(jì)算閘墻底應(yīng)力分布，計(jì)算模型如圖1。

開(kāi)裂前，假定沿底面應(yīng)力為直線分布，則σ1、σ2可由式（1）求出。

式中 N為縱向和力；L為底寬；M為底面形心的彎矩和。

根據(jù)SDJ20—78《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，拉力區(qū)配筋量應(yīng)按式（3）計(jì)算。

式中 Ag為鋼筋面積；T為鋼筋承擔(dān)的合力；Kg為受拉鋼筋安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范應(yīng)取Kg=1.5；Rg為鋼筋的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范SDJ20—78可取Rg=3200kg/cm2。

T的計(jì)算如圖2。

其中，T=W1b。W1為拉應(yīng)力圖形面積中扣除應(yīng)力小于混凝土許可拉力［Rl］后的面積，但扣除面積不宜超過(guò)全部拉應(yīng)力圖形面積的25%。［Rl］混凝土的允許抗拉強(qiáng)度，隨混凝土符號(hào)不同，本工程混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為 250#，查規(guī)范 SDJ20—78，得［Rl］=5.8kg/cm2。 B為計(jì)算閘段寬度。

根據(jù)SL.191—2008《水利混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，水工混凝土應(yīng)考慮作用在構(gòu)件截面上的滲透壓力。假定鋼筋承擔(dān)的拉力面積部分全部拉開(kāi)，水滲入且呈全水頭作用，則鋼筋承擔(dān)的拉力應(yīng)加上裂縫水壓力。

設(shè)鋼筋承擔(dān)部分的總長(zhǎng)度為lc，計(jì)算截面處的水頭為H，則裂隙水壓力引起的拉力：

將水壓作用在拉開(kāi)部位，方向向上，計(jì)算出由滲透壓力引起的彎矩和軸力及開(kāi)裂后斷面新的形心，再計(jì)算應(yīng)力，如此反復(fù)計(jì)算，直至穩(wěn)定后可得考慮滲透壓力后的開(kāi)裂長(zhǎng)度，并由此計(jì)算配筋。

根據(jù)式（4）對(duì)閘室側(cè)墻不同高程的斷面應(yīng)力及配筋量進(jìn)行了計(jì)算，并與閘段實(shí)際配筋量進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1。可以看出，按材料力學(xué)法計(jì)算時(shí)，一閘室原設(shè)計(jì)除在閘墻底部的配筋略有不足之外，滿足規(guī)范要求。

表1 一閘室各斷面配筋計(jì)算表及與實(shí)際配筋

2 有限元法計(jì)算

有限元單元法在計(jì)算體型大結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，有著較大的優(yōu)越性，尤其是進(jìn)行空間整體計(jì)算時(shí)更能反映結(jié)構(gòu)空間相互作用的效果［2-3］。五強(qiáng)溪一閘室分成若干閘段，閘段與閘段之間的受力相互獨(dú)立，閘室結(jié)構(gòu)的受力為典型的平面應(yīng)力狀態(tài)，因此采用用平面有限元、按平面應(yīng)力計(jì)算。建立計(jì)算模型時(shí)，取垂直于船閘軸線方向?yàn)閄方向，順船閘軸線方向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向，利用三維通用有限元程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算網(wǎng)格采用六面體單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分注意混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的部位適當(dāng)加密。閘室有限元模型總單元數(shù)為97848。

五強(qiáng)溪一閘室有限元網(wǎng)格如圖3。

表2 一閘室有限元法配筋計(jì)算

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于五強(qiáng)溪一閘室側(cè)墻為一大體積混凝土結(jié)構(gòu)，與重力壩類似，可參考重力壩應(yīng)力計(jì)算方法，用材料力學(xué)法對(duì)底板和兩側(cè)墻進(jìn)行計(jì)算，其他部位需用有限單元法計(jì)算配筋面積，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：按材料力學(xué)法計(jì)算時(shí)，一閘室原設(shè)計(jì)除在閘墻底部的配筋略有不足之外，滿足規(guī)范要求。取若干控制截面用有限元應(yīng)力結(jié)果計(jì)算配筋得出一閘室的1、4斷面的現(xiàn)有配筋略有不足，8斷面配筋少25%。

［1］趙春，楊定華.工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］崔海濤，李娟，曾俊，等.導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室有限元分析及應(yīng)力配筋［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2011，9（3）:146-149.

［3］劉玲玲，吳永恒.有限元法在大體積混凝土結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2012，43(17):21-24.

［4］周小錄.五強(qiáng)溪船閘—閘室數(shù)據(jù)資料分析報(bào)表［R］.長(zhǎng)沙：湖南五凌電力工程有限公司大壩監(jiān)測(cè)中心，2011：37-49.

［5］張國(guó)新，朱伯芳.五強(qiáng)溪電廠船閘變形研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)水科院結(jié)構(gòu)材料所，2002.