李 昱，高興和，呂 犇，孫鵬明

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103)

閘室底板作為整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是全面支承在地基梁且受力條件復(fù)雜的彈性基礎(chǔ)板。此結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)格上應(yīng)按照空間問(wèn)題對(duì)其應(yīng)力分布進(jìn)行分析，不過(guò)此計(jì)算較為繁瑣，工程上常采用“截板成梁”的方法將其簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，采用有限元計(jì)算軟件按彈性地基梁法對(duì)底板彎矩進(jìn)行計(jì)算，從而選定合適的底板結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)合諸多閘室底板的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，底板彎矩一般呈中間大，兩邊小的分布規(guī)律，對(duì)于小孔徑活動(dòng)堰，綜合考慮設(shè)計(jì)施工的便利性，多采用矩形底板的結(jié)構(gòu)型式。

隨著河道控導(dǎo)建筑物的景觀提升要求，單孔大凈寬活動(dòng)堰在蘇南地區(qū)河道中應(yīng)用越來(lái)越多。對(duì)于大孔徑活動(dòng)堰而言，受兩邊荷載傳遞的影響，跨中彎矩一般較大，按常規(guī)設(shè)計(jì)所需的底板較厚，增加了工程建設(shè)投資，也增加了大體積砼的澆筑施工難度。

為了解決上述問(wèn)題，目前各單位主要采用后澆帶、底板內(nèi)部開(kāi)洞等設(shè)計(jì)思路，但是后澆帶施工質(zhì)量不易控制、底板內(nèi)部開(kāi)洞增大鋼筋用量等弊端還沒(méi)有很好地解決辦法。本文以太倉(cāng)市主城區(qū)水質(zhì)提升控導(dǎo)工程為例，分析了采用變截面的底板結(jié)構(gòu)型式對(duì)于工程造價(jià)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用變截面的底板型式可以有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力，降低大體積砼的施工難度，并節(jié)省工程投資，具有重大的推廣意義與價(jià)值。

1 工程概況

太倉(cāng)市主城區(qū)水質(zhì)提升控導(dǎo)工程是太倉(cāng)市主城區(qū)暢流活水工程之一，是保障入城水質(zhì)、實(shí)現(xiàn)入城水量可控的重要工程，是滿足“二環(huán)”內(nèi)主城區(qū)先期活水需求的核心內(nèi)容之一?？貙?dǎo)工程將在十八港東岸及鹽鐵塘東岸現(xiàn)狀敞開(kāi)的口門(mén)新建控制建筑物，使楊林塘水可通過(guò)十八港、湖川塘流向西南部的中心城區(qū)而不向東流失，滿足引水期間目標(biāo)區(qū)域的水動(dòng)力提升要求。按實(shí)施主體不同，14座活動(dòng)堰分為5座水務(wù)局實(shí)施項(xiàng)目和9座高新區(qū)實(shí)施項(xiàng)目，單孔凈寬分別為8、12、16、20、28m。本文擬抽取12、16、20、28m凈寬活動(dòng)堰各一座進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。

2 底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算方法和思路

活動(dòng)堰底板結(jié)構(gòu)計(jì)算是按平面有限元的思想，用AutoBank建模進(jìn)行計(jì)算，得出底板彎矩分布圖后按照規(guī)范進(jìn)行配筋計(jì)算。

2.2 計(jì)算假定及邊界條件

(1)閘室可簡(jiǎn)化為“U”型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

(2)活動(dòng)堰穩(wěn)定計(jì)算是在各土層土質(zhì)均勻的前提下進(jìn)行。

2.3 計(jì)算荷載的選取

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，閘室主要承受的水平荷載為順?biāo)鞣较虻乃畨毫Α⒌卣饎?dòng)水壓力、地震慣性力等；豎向荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、水重、揚(yáng)壓力等。

2.4 變截面底板的尺寸確定

變截面底板參數(shù)主要包括底板厚度h1、空箱側(cè)底板厚度h2、底板底部固定段a以及底板變化段長(zhǎng)度b，如圖1所示。

圖1 變截面底板結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

底板厚度h1主要根據(jù)各工況跨中最大彎矩確定，具體方法為初步擬定常規(guī)的底板厚度，采用AutoBank建模計(jì)算得出底板彎矩分布圖，經(jīng)過(guò)配筋計(jì)算分析底板厚度是否合適，如不合適需重新擬定h1重復(fù)進(jìn)行計(jì)算。空箱側(cè)底板厚度h2及底板底部固定段a的確定主要依據(jù)彎矩計(jì)算結(jié)果圖，需經(jīng)過(guò)一定的試算。

2.5 算例

初步擬定活動(dòng)堰底板厚度為2.8m，底板總長(zhǎng)39m，固定段長(zhǎng)度為12m，考慮到空箱側(cè)彎矩一般較小，綜合考慮施工的方便性以及結(jié)構(gòu)安全富余，可取為0.8m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，底板最大彎矩為為3610kN·m，截面變化處彎矩為2940kN·m，如圖2所示。對(duì)底板結(jié)構(gòu)按照SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行配筋計(jì)算，最終結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 活動(dòng)堰底板彎矩圖(單位：kN·m)

表1 28m活動(dòng)堰配筋計(jì)算結(jié)果表

3 不同型式的底板對(duì)比分析

3.1 底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力

閘室底板內(nèi)力的大小取決于作用在閘室結(jié)構(gòu)上的荷載、空箱側(cè)回填土的邊載以及地板下土體的性質(zhì)。為了更直接對(duì)比底板型式對(duì)活動(dòng)堰內(nèi)力的影響，本文擬在相同地質(zhì)及荷載條件下，研究同一底板厚度時(shí)不同型式底板內(nèi)力變化情況，結(jié)果見(jiàn)表2(以跨中最大彎矩為參考對(duì)象)。

表2 不同型式的底板最大彎矩匯總表

由表2可知，同底板厚度時(shí)，變截面底板的跨中最大彎矩值均小于普通矩形底板。這是因?yàn)樽兘孛娴装暹厒?cè)厚度較薄，基坑開(kāi)挖深度小，回填的邊載也較小。對(duì)于底板而言，其結(jié)構(gòu)尺寸主要受內(nèi)力計(jì)算結(jié)果所控制，其中又以底板面層彎矩最為重要，由于變截面型式的底板跨中最大彎矩更小，故底板內(nèi)力結(jié)構(gòu)更有利。

3.2 底板工程造價(jià)

相同底板厚度時(shí)(跨中厚度)，不同型式的底板工程造價(jià)差別主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是截面變化節(jié)省了砼工程量，直接減少了工程造價(jià)投資；另一個(gè)方面，對(duì)于大跨徑底板而言，底板較厚，所采用的砼量較大，大體積砼的溫控措施費(fèi)較高，變截面底板可以有效減少砼的澆筑量，節(jié)約大體積砼的溫控措施費(fèi)。

不同型式的各活動(dòng)堰底板工程量見(jiàn)表3。

表3 不同型式的底板工程量匯總表

由表3可知，變截面底板比常規(guī)矩形底板節(jié)約10%以上的工程量，且差值占比隨著活動(dòng)堰凈寬的增加而加大。原因是隨著活動(dòng)堰凈寬的增大，底板的厚度越厚，采用變截面底板的優(yōu)勢(shì)更明顯。

此外，變截面邊側(cè)基坑開(kāi)挖深度更淺，所需的開(kāi)挖面更小，臨時(shí)征地面積以及土方量都相應(yīng)減少，工程造價(jià)顯著降低。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)?shù)装搴穸?跨中厚度)相同時(shí)，變截面底板比常規(guī)矩形底板的結(jié)構(gòu)內(nèi)力更小。

(2) 采用變截面底板，可以有效減少底板的工程量，有利于大體積砼的溫度裂縫控制，且減小基坑開(kāi)挖深度，節(jié)約臨時(shí)工程成本。

(3) 變截面底板的優(yōu)勢(shì)隨著活動(dòng)堰凈寬的增加而加大，實(shí)際工程運(yùn)用中，大孔徑活動(dòng)堰宜采用變截面底板的型式，既能優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力，又能節(jié)約工程投資。

(4) 文章僅簡(jiǎn)單對(duì)比了同工況下跨中最大彎矩，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程需對(duì)各工況內(nèi)力情況進(jìn)行計(jì)算，形成彎矩包絡(luò)圖，并按其進(jìn)行配筋。