型钢布设方式对型钢混凝土闸墩工作性能的影响研究

皇甫秉辉，司 政，杨 丹，黄灵芝

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司水利与环境设计院，陕西 西安 710016)

1 研究背景

闸墩对闸门的安全工作起着举足轻重的作用[1]。随着水工建筑物规模的逐渐增大，巨大的水荷载作用在闸门支座处会导致支座和墩体相交处附近过早地产生裂缝，使一般的钢筋混凝土结构不能满足设计的要求[2-3]。而型钢混凝土稳定性强、抗震性好，承载能力高[4]，可较好地满足高坝大库设计上的要求。近些年学者对型钢混凝土结构的研究颇多。马马[5]以广西猎德大桥实际工程为背景，运用有限元软件构建模型，讨论了桥体在静力和动力响应两种情况下的受力情况，根据计算结果为桥体搭配合适的型钢，从而提高了其抗震性能。李晓彤[6]采用动力时程分析法对某进水塔上部型钢混凝土排架进行计算分析，得出增加配钢量可提高结构的抗震性能，并能较好地保证排架结构的强度要求。陈小强等[7]选取某实际工程浅埋斜井作为分析对象，利用型钢混凝土结构对破碎围岩洞室进行支护，从而大大缩减了拱圈的壁厚并扩大了地下洞室的有效空间。

闸墩结构内型钢的使用，有关学者也做了一系列的研究。袁春[8]、张小飞等[9]通过不同方案进行对比，最终得出在设计中使用H型钢较优，且保护层取400 mm时，闸墩结构承载能力最强。曾德军[10]利用数值计算分析法，计算分析得到了在纵向受力型钢之间布设横向工字形连接钢的重要性。吴金骏[11]研究表示，型钢混凝土的粘结滑移是指在两者接触部位处发生的局部细微变化，在型钢布设形式的影响研究过程中可不考虑它们之间的粘结滑移。韦凯曼[12]利用ABAQUS软件并采用Python语言对闸墩建模的全过程进行编码，采用遗传优化准则，得到型钢混凝土闸墩厚度计算方法。张小飞等[13]基于待定系数法，并通过有限元计算分析确定了型钢混凝土闸墩结构截面含钢量的最佳取值范围。

然而型钢混凝土闸墩墩体一般较大且其受到的外荷载也较为复杂，所以不能完全参考一般工程的设计经验[14-15]。目前学者对闸墩结构的有关研究都是在单侧布设一根型钢的基础上展开的，而对墩体支座处局部受拉范围内的型钢布设根数、布置角度和布设尺寸的研究相对较少。故本文选取某水工建筑物泄水孔口的中墩作为分析对象，利用数值仿真研究方法，对闸墩结构内型钢的布设根数以及它们之间的夹角等进行了综合研究，最终研究结果为型钢在闸墩结构内的应用提供了理论支撑。

2 闸墩及型钢有限元模型

2.1 闸墩有限元模型

某溢洪道闸室段长度为42.0 m，设定顺水流并指向下游为X轴正向，铅直向上为Y轴正向，左右岸指向右岸方向为Z轴正向。根据吴金骏[11]、董骏龙[16]的研究可知，模型应采用分离式建模，型钢和钢筋单元与混凝土单元之间均采用共节点刚性连接，不考虑它们之间的黏性滑移。闸墩墩体混凝土强度等级为C30，墩体与支座相交处附近主受力区混凝土强度等级为C40，混凝土采用SOLID65实体单元进行模拟，具体各强度标号混凝土本构关系曲线如图1所示。基岩本构关系按线弹性考虑，使用SOLID45实体单元进行模拟，钢筋和型钢分别使用LINK8杆单元和BEAM188梁单元进行模拟，型钢采用Q345钢，由于计算结果远未达到二者的屈服强度，故钢筋和型钢的本构关系按线弹性考虑。根据规范[17]确定的上述材料主要物理参数见表1。以单根型钢布设为例，其有限元结构模型见图2，模型计算工况及荷载组合如表2所示。

表1 闸墩材料主要物理参数

表2 模型计算工况及荷载组合

图1 闸墩各强度标号混凝土本构关系曲线 图2 型钢混凝土闸墩有限元结构模型

2.2 型钢布设及有限元模型

型钢混凝土的配钢量既不能过多也不能偏少，若配钢量过少则结构一但开裂就会丧失承载能力，若配钢量过多则在型钢强度没有充分发挥、结构的变形和裂缝宽度都不大时可能会发生突然破坏，丧失承载能力。根据规范[17]中的闸墩局部受拉区域的扇形钢筋截面面积和支座处纵向受力钢筋截面面积的计算公式，对型钢混凝土配钢量进行计算，用A表示闸墩颈部配钢量，AS表示闸门支座处配钢量，计算得到A=650 cm2，AS=104 cm2。

当闸墩内布设H型钢时，其综合性能较为理想[8]，故本文在墩体内布设H型钢，并根据规范[18]确定H型钢的尺寸大小。参考陈松[19]对H型钢参数的表达方式：腹板高度×翼缘宽度×腹板厚度×翼缘厚度，不同型钢布设方式的型钢规格及截面尺寸见表3。

表3 不同型钢布设方式的型钢规格及截面尺寸

闸墩与支座相交部位的钢筋超出支座的部分不小于2.5 h且不大于为3.5 h(h为支座高度)[20]，闸墩颈部区域受力较大且应力较为集中，故本文型钢超出支座的长度取上限3.5 h，经计算确定型钢的总长度为26 m。根据规范[21]和前人的研究成果[9]，保护层厚度取400 mm。

单根、3根、5根型钢的布设方式及对应的有限元模型分别见图3、4。

图3 型钢混凝土闸墩中不同数量型钢的布设方式(单位：cm)

图4 不同数量型钢布设方式的型钢有限元模型

3 结果与分析

3.1 型钢布设根数对型钢混凝土闸墩结构的影响

3.1.1 型钢布设根数对型钢位移的影响 在正常两侧挡水的情况下闸墩承受对称荷载，而左侧单侧挡水的情况下闸墩承受非对称荷载，且中间型钢的位置不随型钢根数的变化而发生变化，故着重研究墩体左边的中间型钢和中间横向型钢，通过计算来分析型钢布设根数对型钢位移的影响。两种工况下左侧中间型钢和中间横向型钢位移曲线分别见图5、6。

图5 两种工况不同数量型钢布设方式的左侧中间型钢位移曲线

图6 两种工况不同数量型钢布设方式的中间横向型钢位移曲线

由图5、6可知，型钢布设根数的不同对型钢的位移分布规律影响较小。在两种工况下，左侧中间型钢位移最大值均发生在型钢顶端并靠近弧门支座处，且顺着型钢长度方向从型钢的首部至尾端位移值越来越小；正常两侧挡水时，中间横向型钢最大位移出现在型钢两端，左侧单侧挡水时，中间横向型钢位移最大值发生在型钢左端。总体上看，在两种工况下，型钢布设数量为3根时其位移曲线均比较光滑。

3.1.2 型钢布设根数对闸墩裂缝发展的影响 3种不同数量型钢布设方式下，墩体的裂缝分布规律相同。以3根型钢布设为例，两种工况下其裂缝最终范围如图7所示。

图7 3根型钢布设方式下两种工况闸墩最终裂缝范围(型钢夹角12.5°)

由图7可知，当型钢布设数量为3根时，在正常两侧挡水的情况下，最终的裂缝发生在墩体与弧门支座加载面相交线处；左侧单侧挡水情况下，最终的裂缝布满闸墩与左侧弧门支座相交线处并顺着相交线向上、下发展。布置单根和5根型钢时墩体裂缝分布规律与布置3根型钢一致，只是在分布范围上有一定的差异，具体两种工况下不同型钢布设数量的闸墩裂缝分布范围见表4。

根据表4可知，在两种计算工况中，闸墩的裂缝分布范围与型钢布设根数紧密相关，竖直Y向裂缝范围差异最为明显，型钢布设根数为3根时，其墩体裂缝分布范围最小。

表4 两种工况不同数量型钢布设方式下闸墩裂缝分布范围

3.1.3 型钢布设根数对闸墩和型钢应力的影响 由于两种工况不同数量型钢布设方式下，墩体的应力分布规律基本相同，故以3根型钢布设为例，两种工况下墩体结构第一、三主应力云图分别见图8、9。 由图8、9可知，当型钢布设数量为3根时，两种工况下闸墩拉应力区均是从闸门支座起沿着支座受力方向向上游呈扇形分布，且在墩体与支座相交处会产生一定的应力集中。正常两侧挡水时，第一主应力最大值发生在距支座上游上部约0.33 m的墩体侧面；左侧单侧挡水时，第一主应力最大值发生在距支座左端上游下部约0.67 m的墩体侧面。

图8 3根型钢布设方式正常两侧挡水工况下闸墩应力云图

3种不同数量型钢布设方式下，两种工况型钢拉应力最大值均出现在受力侧中间墩体型钢与中间横向型钢的连接处附近。以3根型钢布设为例，其应力云图如图10所示。两种工况下型钢布设数量为单根、3根、5根时的应力特征值如表5所示。

表5 两种工况不同数量型钢布设方式下闸墩和型钢应力特征值

图9 3根型钢布设方式左侧单侧挡水工况下闸墩应力云图

图10 3根型钢布设方式两种工况下型钢应力云图(型钢夹角12.5°)

由表5可知，两种计算工况中，闸墩第一主应力最大值与型钢最大拉应力值随着型钢数量布设的增多而变化的趋势一致。型钢布设3根时，闸墩第一主应力最大值和型钢最大拉应力均为最小。

通过上述关于型钢布设数量对闸墩结构各方面工作性能的计算结果可知，型钢布设为3根较为合适。

3.2 型钢布设角度对型钢混凝土闸墩的影响

根据相关规范[17]要求，型钢布设角度一般取10°～15°，故当型钢布设数量为3根时，选取10.0°、12.5°和15.0° 3个布设角度来研究其对型钢混凝土闸墩的影响。

前文计算中型钢之间的夹角为12.5°，故只需计算型钢夹角为10.0°和15.0°的情况，其布设方式如图11所示。

图11 型钢混凝土闸墩中3根型钢两种夹角布设方式

3.2.1 型钢布设角度对型钢位移的影响 由计算结果可知，两种工况下型钢之间的夹角对墩体的位移影响甚微，但对型钢的位移影响较大，因此着重分析型钢夹角的变化对型钢位移的影响。在两种工况下，左侧中间型钢位移曲线如图12所示，中间横向型钢位移曲线如图13所示。

图12 两种工况3根型钢不同布设角度下左侧中间型钢位移曲线

图13 两种工况3根型钢不同布设角度下中间横向型钢位移曲线

由图12、13可知，两种工况下，闸墩左侧中间型钢的位移最大值均发生在型钢顶部，且顺着型钢长度方向从型钢首部到尾端位移值越来越小；中间横向型钢的位移分布呈“凹”形，正常两侧挡水时，其位移最大值发生在型钢两端，左侧单侧挡水时，其位移最大值发生在型钢左端。与前文的计算结果相比，型钢在12.5°布设时，两种型钢的位移曲线均最低，墩体的刚度最好。

3.2.2 型钢布设角度对闸墩裂缝发展的影响 在两种不同工况下，型钢夹角12.5°布设和15.0°布设时裂缝发展规律相似，其裂缝范围见图7。型钢夹角10.0°布设时裂缝发展规律与前两种布设角度的裂缝发展规律有一定的差异。其裂缝范围见图14。

图14 3根型钢布设方式下两种工况闸墩最终裂缝范围(型钢夹角10.0°)

由图14可知，3根型钢之间的夹角为10.0°时，正常两侧挡水工况闸墩最终裂缝出现在支座与墩体相交处并向支座内部发展；左侧单侧挡水工况闸墩最终裂缝布满墩体与弧门支座左侧加载面相交线，并沿着相交线上、下延伸以及向弧门支座内部发展。两种工况下，型钢夹角10.0°、12.5°和15.0°的闸墩裂缝分布范围如表6所示。

表6 两种工况型钢不同角度布设方式下闸墩裂缝分布范围

由表6可知，两种工况中，型钢夹角不同，则其闸墩裂缝范围也有所不同，其中顺水流X方向和左右岸Z方向差异比较明显，当型钢之间的夹角为12.5°时，闸墩裂缝范围最小。

3.2.3 型钢布设角度对闸墩和型钢应力的影响 在两种工况中，型钢的布设角度对墩体应力分布规律影响甚微。3根型钢布设夹角为12.5°时，其闸墩应力云图详见图8、9。

在两种工况中，型钢夹角不同，型钢拉应力最大值出现的位置基本一致。3根型钢布设夹角为12.5°时，其型钢应力云图见图10。两种工况3种不同的布设角度下型钢拉应力最大值均发生在受力侧中间型钢与中间横向型钢的连接处。

型钢布设夹角为10.0°和15.0°时，其闸墩应力分布规律及型钢应力最大值发生位置均与布设夹角为12.5°时一致，只是在数值上有一些差别。两种工况下型钢布设夹角为10.0°、12.5°、15.0°时的应力特征值如表7所示。

表7 两种工况型钢不同布设角度下闸墩和型钢应力特征值

由表7可知，两种计算工况中，闸墩拉应力的最大值随型钢夹角的增大而出现先减后增的趋势。当型钢夹角为12.5°时，闸墩的最大拉应力值最小；型钢拉应力的最大值均是随型钢夹角的增大而出现先减后增的趋势，且变幅较大。当型钢夹角为12.5°时，其最大拉应力值最小。

3.3 型钢布设长度对型钢混凝土闸墩结构的影响

由上述结果可知，闸墩中布设3根型钢且它们之间的夹角为12.5°时，为最合理的布设方式。方镇国等[20]建议在局部受拉区域内的钢筋应长短交替布置，故在上述型钢最合理布设方式的基础上，将3根型钢等长扇形布设分别改为一长两短和一短两长两种不同的扇形布设方式。长型钢总长度为26 m，短型钢取超出支座的部分为2.5 h，即短型钢总长度为20 m，具体布设方式如图15所示。

图15 型钢混凝土闸墩中3根型钢长短交替布置方式

经计算可知，两种工况下型钢布设长度对混凝土闸墩结构工作性能影响甚微。但从经济方面考虑，型钢选取一长两短布设时较为合适。

4 结 论

通过以上系统化的计算与分析，得到以下结论：

(1)两种计算工况中，型钢布设数量的增多对型钢位移变化影响甚微，但墩体和型钢的拉应力最大值均出现先减后增的趋势，且变幅较大。当型钢布设数量为3根时，墩体的裂缝分布范围最小，故型钢布设数量为3根时最优。

(2)两种计算工况中，型钢布设数量为3根的情况下，当型钢夹角增大时，型钢和墩体最大拉应力值均呈现先减后增的趋势，当型钢布设夹角为12.5°时，型钢的位移和墩体的裂缝分布范围均达到最小，因此型钢布设夹角为12.5°时最优。

(3)对于类似闸墩，建议采用3根型钢、12.5°夹角、一长两短的扇形方式布设，此布设方案闸墩工作性能最优且比较经济。