水工弧形闸门支座扇形配筋方法★

陶警圆 张元泽

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

溢洪道闸室弧形闸门的正常运行直接关系到整个大坝工程的蓄水和泄洪，是影响水电工程安全的重要组成部分。弧形闸门支座是闸门所传递水荷载的直接受力部位，其结构的可靠性就显得尤为重要，然而由于弧形闸门支座的结构不规则，受力情况复杂，该部位的结构配筋较难精确计算，本文以猴子岩水电站溢洪洞弧形闸门支座为例，采用有限元法求得截面内力，根据拉应力图形面积，确定承载力所要求的配筋数量，来探讨水工弧形闸门支座的有限元配筋方法。

1 有限元法配筋计算原理

采用大型通用有限元计算软件Ansys计算分析得到混凝土结构内部的应力场，在后处理时，选取高应力区应力最大断面的应力路径，进行应力路径积分。根据积分得到的弹性拉力值，然后根据规范进行配筋计算。

有限元配筋计算中可认为断面的拉力值全部由钢筋来承担，配筋量采用有限元计算成果，参考其他工程经验确定。根据规范，对截面上的拉应力进行积分，得到各断面的拉力值，受拉钢筋截面配筋面积As满足下式要求：

其中，σt为截面环向拉应力；As为单宽钢筋配筋面积；T为截面单宽弹性总拉力；l为拉应力区分布长度；fy为钢筋抗拉强度设计值，取360 N/mm2；γd为钢筋混凝土结构系数，取1.20。

2 结构力学法配筋计算方法

根据规范DL/T 5057—2009水工混凝土结构设计规范中的第13.10.2节，闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积应满足下列公式要求：

闸墩受一侧弧门支座推力作用时：

3 工程实例分析

以猴子岩水电站为例[1]，分别采用有限元法和结构力学法，进行计算对比。

根据猴子岩溢洪洞进水口闸室的三维有限元计算成果[2]，最不利工况为额定启门力瞬时工况，仅针对此工况的应力进行配筋计算。

3.1 有限元法

最不利情况即不考虑后面山体的承托作用，支铰梁后面临空，闸门对支铰梁的推力全部由边墙承担。有限元计算成果表明，大梁支铰两端边墙附近出现了扇形分布的拉应力区，最大值约为4.44 MPa。

边墙处扇形筋配筋计算：取单位长度边墙进行分析，取出两个截面的应力分布图如图1，图2所示，按路径积分得出各截面的拉力值，按积分结果作为配筋依据，积分结果见表1。

表1 积分结果 kN

左侧边墙配筋(Path2)：

As=Tnγd/fy=4 035×1 000×1.2/360=13 450 mm2。

右侧边墙配筋(Path1)：

As=Tnγd/fy=5 357×1 000×1.2/360=17 857 mm2。

实际情况，支铰梁后面有山体传递了大部分的推力荷载，边墙只承担一小部分荷载，参考类似工程经验，取边墙承担荷载的系数为0.2，则左侧边墙单宽的配筋面积为13 450×0.2=2 690 mm2，右侧边墙单宽的配筋面积为17 857×0.2=3 571.4 mm2。

根据计算结果，并参考类似工程的扇形筋布置方式，拟定边墙配单层扇形筋53根φ32，夹角为1°。

3.2 结构力学法

闸室边墙结构示意见图3。

水库正常蓄水位闸门开启泄洪时，启门初期支座受力最大，此时支铰推力标准值为Fs=31 000 kN，设计值为：

F=γG×γ0×ψ×Fs=

1.2×1.1×0.95×31 000×1 000=3.89×107N。

边墙所受的推力设计值为3.89×107N×0.2=7.78×106N，γd=1.2，初拟配筋结果为：钢筋直径32 mm，呈扇形布置，每根钢筋夹角1°，共53根，在支铰最大受力方向两侧各26°布置，Asi=804.2 mm2，fy=360 N/mm2，θi=1°×i。

计算结果如下：

说明扇形钢筋强度能满足设计要求。

计算结果如下：

说明扇形钢筋强度能满足设计要求。

4 结语

采用有限元法计算结构应力、通过进行应力积分的配筋方法能够满足设计要求，并且能更加直观地反映应力分布规律与钢筋布置型式之间的关系，运用到闸门支座扇形配筋上可以很好的模拟工程实际，计算结果能够满足规范的要求，对弧形闸门支座的配筋设计具有重要的参考价值。