謝 桃，肖開學，肖玉會

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

PKPM在劉家拱橋水庫啟閉排架結構設計中的應用

謝 桃，肖開學，肖玉會

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

以劉家拱橋水庫溢洪道排架結構設計為例，從模型建立、荷載輸入、參數輸入、結構計算等幾方面初步探討PKPM軟件在水工結構設計中的應用。根據計算結果，結合相應規(guī)范要求，其配筋計算是安全可行的，且具有高效性及合理性。

PKPM軟件 排架結構 劉家拱橋水庫

1 工程概況

劉家拱橋水庫位于四川省達州市渠縣境內，水庫樞紐距渠縣縣城約26km。該工程是以灌溉、人畜飲水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活用水為主，兼顧發(fā)電及渠縣城市應急備用水源等綜合效益的骨干水利樞紐工程。

水庫正常蓄水位488.00m，大壩為混凝土面板堆石壩，壩長236.00m，最大壩高76.60m。水庫總庫容1497萬m3，正常水位庫容1389萬m3，調節(jié)庫容1180萬m3，電站裝機容量2400kW，該工程為Ⅲ等工程。水庫樞紐主要建筑物包括右岸取水隧洞、混凝土面板堆石壩、右岸表孔溢洪道和左岸泄洪放空洞等。

溢洪道布置在右壩肩，由進口引渠段、閘室段、泄槽段、挑坎段及下游河道岸坡防護組成，全長305.05m。閘室段全長32.25m，采用單孔駝峰堰型，閘室內設12m×8m的平板工作門及12m×10.5m的平板檢修鋼閘門。劉家拱橋溢洪道布置如圖1、圖2所示。

圖1 劉家拱橋溢洪道平面布置

圖2 劉家拱橋溢洪道剖面

溢洪道閘室檢修門采用臺車啟閉，檢修門啟閉排架分為兩跨，閘室段與儲門槽段，排架高13.5m，最大跨度16.20m，排架頂部臺車單個滑輪最大輪壓荷載215kN。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架結構布置如圖3、圖4所示。

圖3 溢洪道檢修閘排架平面布置

圖4 溢洪道檢修閘排架剖面

2 PKPM軟件設計流程

劉家拱橋水庫溢洪道檢修門啟閉排架結構設計，主要采用PKPM軟件中PMCAD、SATWE、墻梁柱施工圖三大模塊。PMCAD用于空間三維模型的建立和荷載輸入，為前處理模塊；SATWE讀取PMCAD生成的幾何數據及荷載數據，采用空間有限元分析計算，得出結構各個部位的內力、位移等。SATWE是結構設計模塊的核心部分，墻梁柱施工圖模塊則是根據SATWE的計算成果，自動選配鋼筋并繪制施工圖，該模塊為后處理模塊。

PKPM軟件的設計流程為：①設計者首先根據實際工程及自身經驗初擬結構體型、構件尺寸，通過PMCAD模塊建立模型，添加荷載；②運行SATWE模塊讀取PMCAD生成數據，并設置計算參數，然后進行內力、配筋計算；③分析計算結果。根據計算結果，返回到PMCAD模塊中調整模型體型及尺寸；④重復步驟②、③。如此反復修正、調整以形成最優(yōu)結構設計；⑤運行墻梁柱施工圖模塊繪制施工圖。

3 PKPM在劉家拱橋水庫結構設計中的應用

3.1 模型建立及應注意的問題

3.1.1 模型建立

受到啟閉臺車軌道間距的限制，同時考慮到起吊荷載大、跨度大以及結構受力條件的合理性，將排架柱與臺車軌道梁形成框架(垂直于水流向)；由于臺車在啟閉平臺上移動，故排架中柱間不能設置框架梁，使得整個框架結構的整體穩(wěn)定性有所削弱。故運用PKPM軟件對該結構進行多次建模計算，擬定最為安全可靠的排架結構。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架高13.5m，分為兩跨，閘室段與儲門槽段，閘室段跨度15.0m，儲門槽段跨度16.2m，啟閉機房位于儲門槽段平臺上。排架設置為3層，層高4.5m。模型如圖5所示。

圖5 啟閉排架模型

3.1.2 應注意的問題

在建模的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，劉家拱橋水庫溢洪道檢修閘排架結構存在有以下幾個問題需要注意：

3.1.2.1 避免多余節(jié)點。建模時，構件中的多余節(jié)點會打斷構件，增加網格和構件的數量，引起荷載的拆分。在該模型的建立過程中，由于多次調整結構，筆者未及時刪除多余節(jié)點，導致在計算過程中多次出錯，在修正、糾錯再修正的過程中浪費了大量寶貴時間。因此，在建模過程中應避免多余節(jié)點，出現(xiàn)多余節(jié)點應及時刪除。

3.1.2.2 臺車軌道梁截面尺寸的輸入。為方便臺車軌道安裝，根據金屬結構安裝要求，需在軌道梁頂部預留35cm的二期混凝土高度，經模型反復修正驗算，擬定該啟閉排架軌道梁的截面尺寸為80cm×195cm。即軌道梁一期混凝土高度為160cm，二期混凝土高度為35cm。但PKPM的參數中沒有對混凝土作區(qū)分，若構件尺寸仍以80cm×195cm的截面尺寸輸入，將與實際結構的受力情況不符，且趨于不利，因此需作手動修改。處理方式為：軌道梁以80cm×160cm的截面尺寸輸入，將35cm厚的混凝土重作為恒載施加在軌道梁上。

3.1.2.3 虛梁的設置。根據結構要求，啟閉平臺上的啟閉機房布置于儲門槽段，故閘室段平臺底部不需要設置邊梁，這就使得在建模過程中，閘室段平臺不封閉，不能形成平臺板。此處的處理方式為：在布置邊梁的位置設置虛梁，PKPM默認截面尺寸為100mm×100mm的梁為虛梁，虛梁在結構中不存在，其特點是無剛度、無自重，并不參與結構計算，只是作為模型的輔助結構存在，不影響實際結構。

3.1.2.4 次梁的添加。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架中排架柱最大間距16.2m，屬大跨度結構，且啟閉機房位于該跨，同時作用于該跨的設備荷載較大。經計算分析可知，該跨跨中及支座端內力較大，故在該跨中部添加交叉次梁，以優(yōu)化結構受力條件。經反復修正驗算，最終在該跨中部對稱添加兩根交叉次梁(如圖2所示)。

3.2 荷載輸入

3.2.1 樓面荷載

啟閉機平臺樓面荷載為均布恒荷載，由于PKPM梁、板、柱的自重均在程序中自動加載，故啟閉機平臺樓面均布恒荷載取1.5kN/m2，活載取2.0kN/m2。

3.2.2 臺車荷載

該啟閉設備為雙吊點臺車式啟閉機，擁有8個滑輪，經計算，當8個滑輪均運行至儲門槽跨段(最大跨16.2m)時，該位置荷載為最不利荷載。臺車最大輪壓按機電設備廠家提供的最大輪壓取215kN，為集中荷載。由此可見，臺車荷載為計算中的控制性荷載。對荷載最不利位置的確定，應通過理論分析及多次試算確定。

3.3 參數設置

PKPM采用的規(guī)范為《混凝土結構設計規(guī)范》，多用于建筑行業(yè)，因此計算參數應予以修正，以滿足《水工混凝土結構設計規(guī)范》的參數要求。兩者在PKPM中最主要的差異，為永久荷載分項系數與可變荷載分項系數的取值有所不同?！痘炷两Y構設計規(guī)范》中無結構系數γd，而《水工混凝土結構設計規(guī)范》中γd的取值為1.2，所以在計算輸入每項荷載的分項系數時，必須乘以結構系數γd。因此PKPM中永久荷載分項系數與可變荷載分項系數，應分別調整為1.26和1.44。本次劉家拱橋水庫溢洪道檢修閘排架結構計算采用SATWE軟件，其主要計算參數取值見表1所示。

表1 SATWE主要設計參數取值

4 計算結果

由于本結構跨度大，且局部集中荷載很大，在計算過程中，筆者初擬的排架結構尺寸經過多次修正調整，最終得到體型、尺寸、配筋的最優(yōu)化設計，且各框架結構內力、裂縫開度、軸壓比、配筋率等均滿足規(guī)范要求。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架結構，最大跨框架梁、柱配筋結果如表2所示。

表2 最大跨框架梁、柱計算成果

5 結語

無論是建筑結構設計還是水工結構設計，其設計過程通常都是一個反復修正調整的過程，最終才能得到一個最優(yōu)化的體型，利用PKPM進行結構設計也同樣如此。設計者需要從本質上理解構筑物的體型特點、受力情況，從而靈活巧妙地建立模型。同時，將建筑行業(yè)通用的PKPM軟件引入水工建筑物設計，更需要設計者理解PKPM軟件采用的設計規(guī)范，清楚該規(guī)范與水工結構設計規(guī)范的異同，修正相關參數，從而更好的運用于水工結構設計。另外，采用PKPM軟件進行水工結構設計，更是大大提高了設計效率，尤其對于復雜結構的設計，大大縮短了設計周期，為設計人員提供了便利。

〔1〕中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部.PKPM用戶手冊[Z]，2001.

〔2〕GB50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔3〕GB50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

〔4〕DL/T5057-2009，水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2009.

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