姜露露

(揚州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

由于中山河閘已建成運行多年，排架、閘墩等構(gòu)件均出現(xiàn)一些病害，因此需要對中山河閘閘室結(jié)構(gòu)安全性態(tài)進(jìn)行分析研究，從而為維修加固中山河閘工程提供依據(jù)[1]。中山河閘所在地的地質(zhì)狀況較差，故利用鉆孔灌注樁來提高地基承載力[2]。在計算結(jié)構(gòu)時往往將樁基和閘室分開考慮，使得計算結(jié)果和實際狀態(tài)有著一定的差距[3]，因此在用m法計算樁基內(nèi)力和樁頂位移時，也有必要采用三維有限元方法對閘室結(jié)構(gòu)整體位移和應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

1　工程概況

中山河閘位于濱海縣與響水縣交界處的廢黃河入?？?，具有擋潮、泄洪、排澇、灌溉、通航、減淤和連接兩岸交通的功能。中山河閘閘身總凈寬60 m，每孔凈寬10 m，共6孔，通航孔單獨一聯(lián)，泄洪孔每兩孔一聯(lián)，剩余一孔泄洪孔單獨一聯(lián)，布置于左岸，共4聯(lián)。閘底板面標(biāo)高為-2.5 m，底板厚1.5 m。由于邊荷載較大，孔數(shù)較多，故設(shè)置空箱岸墻，岸墻底板面標(biāo)高-2.5 m。因擋潮水位較高，為降低泄洪孔閘門高度，泄洪孔設(shè)置胸墻。由于地基土質(zhì)較差，根據(jù)地質(zhì)鉆探報告確定閘身底板下采用直徑為80 cm的鉆孔灌注樁加固地基，樁底標(biāo)高為-23.5 m。為保證建筑物的防滲安全，底板下采用地連墻[4]，沿底板四周直線布置。

2　樁基承載力計算

2.1　閘室結(jié)構(gòu)

閘室結(jié)構(gòu)計算簡圖見圖1。

2.2　樁基荷載計算

(1)單樁荷載按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》中公式計算：

(1)

(2)

式中：Ni為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下第i基樁或復(fù)合基樁的豎向力，kN；P為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于樁基的總垂直荷載, kN；My為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于底板底面，繞通過樁群形心y主軸的力矩kN·m；xi為第i基樁或復(fù)合樁基至y軸的距離,m；Hi為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于第i基樁或復(fù)合基樁的水平力, kN；H為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于樁基底板底面的水平力, kN；n為樁基中的樁數(shù)。

底板下灌注樁完好，能承擔(dān)底板傳遞的垂直荷載和水平荷載。以底板底面中心處為彎矩原點，荷載計算成果見表1。

圖1　閘室結(jié)構(gòu)簡圖(單位：長度cm；高程m)

計算工況水位/m上游水位下游水位總垂直荷載P/kN彎矩M/(kN·m)單樁豎向荷載N/kN泄洪孔設(shè)計1654181595815-5519027129校核1654421557011-15452626469通航孔設(shè)計165418　849131-10827225777校核165442　833050-13354625289

(2)樁基垂直承載力復(fù)核。灌注樁樁基允許垂直承載力按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》中公式計算。

(3)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；Qu k為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；K為安全系數(shù)；u為樁身周長；qs i k為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qp k為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積。樁周土極限摩阻力見表2。

表2　底板樁周土極限摩阻力表

經(jīng)計算，底板鉆孔灌注樁樁基允許垂直承載力為1096.99 kN，而單樁最大垂直荷載為442.34 kN，小于樁基允許承載力，底板下鉆孔灌注樁垂直承載力滿足要求。

(3)單樁水平承載力復(fù)核。水平承載力考慮底板對樁的嵌固作用，采用m法計算樁頂位移。計算成果見表3。

表3　樁基水平承載力計算成果表

經(jīng)m法計算得出，直徑為0.8 m的灌注樁單樁允許水平承載力為130 kN。而閘室樁基單樁最大水平荷載為122.12 kN。灌注樁樁頂不可恢復(fù)的水平位移值宜控制不超過5.0 mm[5]，而閘室樁基單樁樁頂最大位移為2.7 mm。故該閘室樁基單樁水平承載力及水平位移均滿足要求。

3　閘室三維有限元分析

3.1　計算模型

本文利用三維有限元軟件abaqus對中山河閘整體強度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。根據(jù)中山河閘工程的結(jié)構(gòu)特征和受力特點，將地基、閘室、樁基等一起建模，考慮它們之間的相互作用。地基模型尺寸選取對計算結(jié)果有一定影響[6]，為了使計算結(jié)果更符合實際，根據(jù)薩布尼斯等的相關(guān)文獻(xiàn)中對試驗?zāi)Ｐ统叽绲囊螅J(rèn)為取地基單邊尺寸為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)單邊尺寸的1～ 5倍就可以反映地基對基礎(chǔ)的作用[7]。本次計算中山河閘的地基在順?biāo)鞣较蛉?9.5 m，垂直水流方向取206.4 m，深度取至高程-53.9 m。由于所取的地基模型范圍比較大，因此地基的邊界條件近似認(rèn)為其與土體是固結(jié)的[8]。中山河閘三維有限元模型見圖2。

圖2　閘室與地基整體三維有限元模型

3.2　基本荷載和計算工況

本次建?？紤]的荷載有固定荷載、邊荷載和水荷載。固定荷載為閘室結(jié)構(gòu)自重，邊荷載為閘室兩側(cè)岸墻引起，水荷載的加載工況分設(shè)計、校核兩種。

3.3　計算結(jié)果

按照上述計算模型和參數(shù)，分別對中山河閘閘室結(jié)構(gòu)的各種工況進(jìn)行了空間有限元計算。求出了各種工況下閘身結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各點位移、應(yīng)力。由此可對閘室的穩(wěn)定和強度安全性進(jìn)行分析。

中山河閘閘室在各工況下的整體結(jié)構(gòu)位移云圖見圖3～圖6，位移計算結(jié)果見表4。

圖4　校核工況閘室豎向位移分布圖(m)

計算工況豎直最大位移/mm豎直位移最大沉降差/mm水平最大位移/mm樁頂水平位移/mm設(shè)計29151522410728校核29061529418611

圖5　設(shè)計工況閘室水平位移分布圖(m)

圖6　校核工況閘室水平位移分布圖(m)

由圖3～圖6可知，閘室整體結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在設(shè)計工況下，沿鉛直方向整個結(jié)構(gòu)發(fā)生向下的位移，最大沉降量為29.15 mm，最大沉降差為15.29 mm。閘室整體結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在校核工況下，最大水平位移為4.186 mm，根據(jù)規(guī)范地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降滿足要求。

利用三維有限元模型對樁基的樁頂水平位移進(jìn)行分析，樁基的樁頂最大水平位移為2.8 mm，灌注樁樁頂不可恢復(fù)的水平位移值宜控制不超過5 mm，故樁頂水平位移滿足要求。

中山河閘閘室在各工況下的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖7～圖10，閘室結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力計算成果見表5。

圖7　設(shè)計工況閘室最大主拉應(yīng)力分布圖(Pa)

圖8　校核工況閘室最大主拉應(yīng)力分布圖(Pa)

圖9　設(shè)計工況閘室最大主壓應(yīng)力分布圖(Pa)

圖10　校核工況閘室最大主壓應(yīng)力分布(Pa)

表5　閘室結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力計算成果表 MPa

由計算結(jié)果的應(yīng)力云圖7～圖10及表5可知：在各工況下閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在下游面層，通航孔底板主拉應(yīng)力最大值為1.40 MPa，泄水孔底板主拉應(yīng)力最大值為1.03 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游底層處，通航孔底板主壓應(yīng)力最大值為2.74 MPa，泄水孔底板主壓應(yīng)力最大值為1.45 MPa；邊墩最大主拉應(yīng)力為1.53 MPa，最大主壓應(yīng)力為2.32 MPa；中墩最大主拉應(yīng)力為1.35 MPa，最大主壓應(yīng)力為1.45 MPa。閘室通航孔、泄水孔底板底層、面層、閘墩的最大主拉應(yīng)力均超過了混凝土的允許拉應(yīng)力，故底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強度不滿足要求，最大主壓應(yīng)力未超過混凝土的允許壓應(yīng)力，故混凝土的抗壓強度滿足要求。

綜上所述，中山河閘閘室在各工況下的位移均滿足要求，混凝土的抗壓強度滿足要求，混凝土的抗拉強度均不滿足要求，但各構(gòu)件經(jīng)過配筋后均能滿足工程設(shè)計對剛度和強度的要求。

4　結(jié)　論

本文利用abaqus有限元軟件直觀可靠的反應(yīng)中山河閘閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場狀況，并結(jié)合一般方法共同計算分析了樁基、閘室的結(jié)構(gòu)承載力。分析結(jié)果表明：中山河閘的樁基承載力、閘室結(jié)構(gòu)的強度均滿足要求，這也為中山河閘工程的安全評價以及維修加固提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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