变截面底板在大孔径活动堰中的应用研究

李 昱，高兴和，吕 犇，孙鹏明

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215103)

闸室底板作为整个闸室结构的基础，是全面支承在地基梁且受力条件复杂的弹性基础板。此结构体系严格上应按照空间问题对其应力分布进行分析，不过此计算较为繁琐，工程上常采用“截板成梁”的方法将其简化为平面问题，采用有限元计算软件按弹性地基梁法对底板弯矩进行计算，从而选定合适的底板结构尺寸。结合诸多闸室底板的设计经验，底板弯矩一般呈中间大，两边小的分布规律，对于小孔径活动堰，综合考虑设计施工的便利性，多采用矩形底板的结构型式。

随着河道控导建筑物的景观提升要求，单孔大净宽活动堰在苏南地区河道中应用越来越多。对于大孔径活动堰而言，受两边荷载传递的影响，跨中弯矩一般较大，按常规设计所需的底板较厚，增加了工程建设投资，也增加了大体积砼的浇筑施工难度。

为了解决上述问题，目前各单位主要采用后浇带、底板内部开洞等设计思路，但是后浇带施工质量不易控制、底板内部开洞增大钢筋用量等弊端还没有很好地解决办法。本文以太仓市主城区水质提升控导工程为例，分析了采用变截面的底板结构型式对于工程造价以及结构内力的影响。研究发现，采用变截面的底板型式可以有效优化结构内力，降低大体积砼的施工难度，并节省工程投资，具有重大的推广意义与价值。

1 工程概况

太仓市主城区水质提升控导工程是太仓市主城区畅流活水工程之一，是保障入城水质、实现入城水量可控的重要工程，是满足“二环”内主城区先期活水需求的核心内容之一。控导工程将在十八港东岸及盐铁塘东岸现状敞开的口门新建控制建筑物，使杨林塘水可通过十八港、湖川塘流向西南部的中心城区而不向东流失，满足引水期间目标区域的水动力提升要求。按实施主体不同，14座活动堰分为5座水务局实施项目和9座高新区实施项目，单孔净宽分别为8、12、16、20、28m。本文拟抽取12、16、20、28m净宽活动堰各一座进行计算对比分析。

2 底板结构设计

2.1 计算方法和思路

活动堰底板结构计算是按平面有限元的思想，用AutoBank建模进行计算，得出底板弯矩分布图后按照规范进行配筋计算。

2.2 计算假定及边界条件

(1)闸室可简化为“U”型结构进行计算。

(2)活动堰稳定计算是在各土层土质均匀的前提下进行。

2.3 计算荷载的选取

根据规范规定，闸室主要承受的水平荷载为顺水流方向的水压力、地震动水压力、地震惯性力等；竖向荷载主要有结构自重、水重、扬压力等。

2.4 变截面底板的尺寸确定

变截面底板参数主要包括底板厚度h1、空箱侧底板厚度h2、底板底部固定段a以及底板变化段长度b，如图1所示。

图1 变截面底板结构参数图

底板厚度h1主要根据各工况跨中最大弯矩确定，具体方法为初步拟定常规的底板厚度，采用AutoBank建模计算得出底板弯矩分布图，经过配筋计算分析底板厚度是否合适，如不合适需重新拟定h1重复进行计算。空箱侧底板厚度h2及底板底部固定段a的确定主要依据弯矩计算结果图，需经过一定的试算。

2.5 算例

初步拟定活动堰底板厚度为2.8m，底板总长39m，固定段长度为12m，考虑到空箱侧弯矩一般较小，综合考虑施工的方便性以及结构安全富余，可取为0.8m。

经过计算，底板最大弯矩为为3610kN·m，截面变化处弯矩为2940kN·m，如图2所示。对底板结构按照SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》进行配筋计算，最终结果见表1。

图2 活动堰底板弯矩图(单位：kN·m)

表1 28m活动堰配筋计算结果表

3 不同型式的底板对比分析

3.1 底板结构内力

闸室底板内力的大小取决于作用在闸室结构上的荷载、空箱侧回填土的边载以及地板下土体的性质。为了更直接对比底板型式对活动堰内力的影响，本文拟在相同地质及荷载条件下，研究同一底板厚度时不同型式底板内力变化情况，结果见表2(以跨中最大弯矩为参考对象)。

表2 不同型式的底板最大弯矩汇总表

由表2可知，同底板厚度时，变截面底板的跨中最大弯矩值均小于普通矩形底板。这是因为变截面底板边侧厚度较薄，基坑开挖深度小，回填的边载也较小。对于底板而言，其结构尺寸主要受内力计算结果所控制，其中又以底板面层弯矩最为重要，由于变截面型式的底板跨中最大弯矩更小，故底板内力结构更有利。

3.2 底板工程造价

相同底板厚度时(跨中厚度)，不同型式的底板工程造价差别主要体现在两个方面，一个是截面变化节省了砼工程量，直接减少了工程造价投资；另一个方面，对于大跨径底板而言，底板较厚，所采用的砼量较大，大体积砼的温控措施费较高，变截面底板可以有效减少砼的浇筑量，节约大体积砼的温控措施费。

不同型式的各活动堰底板工程量见表3。

表3 不同型式的底板工程量汇总表

由表3可知，变截面底板比常规矩形底板节约10%以上的工程量，且差值占比随着活动堰净宽的增加而加大。原因是随着活动堰净宽的增大，底板的厚度越厚，采用变截面底板的优势更明显。

此外，变截面边侧基坑开挖深度更浅，所需的开挖面更小，临时征地面积以及土方量都相应减少，工程造价显著降低。

4 结论

(1) 当底板厚度(跨中厚度)相同时，变截面底板比常规矩形底板的结构内力更小。

(2) 采用变截面底板，可以有效减少底板的工程量，有利于大体积砼的温度裂缝控制，且减小基坑开挖深度，节约临时工程成本。

(3) 变截面底板的优势随着活动堰净宽的增加而加大，实际工程运用中，大孔径活动堰宜采用变截面底板的型式，既能优化结构内力，又能节约工程投资。

(4) 文章仅简单对比了同工况下跨中最大弯矩，实际运用过程需对各工况内力情况进行计算，形成弯矩包络图，并按其进行配筋。