玉滩水库溢洪道闸墩弧门支座设计.doc

玉滩水库溢洪道闸墩弧门支座设计 顾小兵 王立成 鲁永华 曹 阳 (中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222) 摘 要：弧门支座及其相连闸墩是水工泄流建筑物的关键性部位，其可靠性直接关系到泄流建筑物能否安全运用。本文介绍了玉滩水库溢洪道进水闸弧门支座及闸墩的设计，阐述了在单侧推力作用下弧门支座及闸墩设计的一些关键点。 关键词：缝墩边墩 单侧推力 弧门支座 倒角支座 扇形钢筋 引 言 弧门支座作为一个短悬臂构件，将荷载传递给主体结构闸墩，其受力最不利工况为单侧弧门受推力作用。在单侧推力作用下，闸墩沿推力方向呈现局部偏心受拉应力状态。由相关仿真试验结果及有限元分析资料可知，该部位抗裂能力与混凝土抗拉强度、支座在闸墩中的相对位置、支座宽度、闸墩厚度，以及不同推力作用下的应力状态等因素有关。该部位极限承载力取决于闸墩局部拉脱极限承载力、弧门支座正截面承载力和斜截面承载力三者中最小值，其局部破坏形式有两种：闸墩局部拉脱破坏和弧门支座破坏。因此，弧门支座设计不仅要保证支座及闸墩本身强度，还要保证两者连接强度。 1 工程概况 玉滩水库枢纽工程为Ⅱ等工程，枢纽主要建筑物为2级建筑物。溢洪道设计和校核洪水泄量分别为3084m3/s和3564m3/s。设有3扇12×13.2m（宽×高）的弧型钢闸门，液压启闭机启闭。中墩为缝墩，厚4m，边墩顶厚m。m，玉滩水库溢洪道进水闸的弧门支座均处于缝墩和边墩上，单支座弧门最大推力标准值为6557kN，与水平面夹角为16.409°。具体布置见下图： 2 弧门支座设计 对于钢筋混凝土弧形闸门支座的设计，在新规范(SL/T l91-96)中，有专门的章节做了明确规定，而在老规范(SDJ20- 78)中，未做具体规定，一般参照老规范中牛腿的设计方法进行设计。在本工程弧门支座设计中，笔者发现采用新老规范设计的支座尺寸相差很明显（老规范水利行业未作废）。老规范从弧门支座及其与闸墩连接处局部抗裂和局部受拉承载力要求考虑，偏重于支座自身强度，故此，以往设计弧门支座从经济角度考虑多为长方形（b/h0.7），支座宽度不大，其与闸墩接触处局部抗裂有效折算分布宽度亦有所打折，对于厚度较小的闸墩，其受力状况是极不利的。新规范(SL/T l91-96)是针对弧门支座的两种破坏形态，根据“空间悬吊拉杆拱”的分析力学模型，建立并提出的计算公式与构造要求，对与闸墩连接的支座宽度要求更为严格。老规范采用极限状态设计原则，以综合安全系数表达式进行设计采用概率极限状态设计原则，以分项系数表达式进行设计。从设计理念方面来看，规范比规范更具有科学性和条理性。 (SL/T l91-96)。 2.1支座宽度的确定 闸墩受单侧弧门支座推力作用时，根据弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制要求，其宽度应满足下列公式： 式中 ——由荷载标准值按荷载效应短期组合计算的闸墩单侧弧门支座推力值 ——弧门支座宽度 ——闸墩厚度 ——弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距 ——混凝土轴心抗拉强度标准值 缝墩和边墩宽度B均为2m，将上述其余各值代入公式，则弧门支座宽度不小于3.75m。由文献【1】的试验结果及有限元分析可知，弧门推力产生的混凝土应力，不仅与推力的大小和方向有关，而且还与支座在闸墩中所处的位置有关。支座尾部尺寸越大相应刚度越大，约束支座变形的能力越强，且参与抗拉并充分发挥抗拉作用的钢筋范围越大，即局部受拉钢筋的有效折算分布宽度越大（单侧弧门支座推力作用时最大取3h），从而使闸墩支座局部受拉承载力越大。由于支座尾部至闸墩下游面这部分混凝土的约束，使得闸墩支座局部受拉钢筋的变形在某一范围内趋于相同，各受拉钢筋的拉应力之差减小；约束也使得与弧门推力同向的混凝土应变沿支座宽度方向的衰减速率减小，截面的混凝土最大应力值降低，这种尾部约束效应，对提高闸墩弧门支座局部抗裂能力有利。本工程弧门支座布置偏靠下游闸墩尾部，其尾部约束效应较小，鉴于此情况，在提高闸墩混凝土局部强度等级基础上，取弧门支座宽度b=4m，以期最大程度地增加局部抗裂有效折算分布宽度。 2. 2支座高度的确定 本工程闸墩宽度相对于受力条件而言并不大，因此由闸墩抗裂要求所取的弧门支座宽度较大，导致支座体形偏胖，从美观及经济角度考虑，设计时将弧门支座宽度方向两侧进行了倒角1m处理。在进行支座高度计算时，保守考虑其结构安全性，支座宽度均代入倒角后尺寸2m计算。 弧门支座的内边缘高度首先应满足本身裂缝的控制要求。同时还应满足剪跨比的要求。公式如下： 式中： ——支座内边缘高度 ——支座有效高度 ——闸门推力至闸墩内边缘的距离， 玉滩水库溢洪道闸墩a=0.8m 其它各符号意义同前，保护层按5cm 计算，则有支座最小高度为2.85m，由于弧门支座是闸墩结构中的关键部位，在使