涡河蒙城枢纽工程桁架结构及斜杆的应用与研究

刘 洋 刘 春 张圣楠

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 工程概况

蒙城枢纽位于蒙城县北关涡河上，由节制闸、分洪闸及船闸三座建筑物组成，是涡河上一座集防洪、排涝、蓄水灌溉、交通航运于一体的大型枢纽工程，控制流域面积15475km2，设计蓄水灌溉面积。节制闸为2 级建筑物，船闸级别为1000 吨级。节制闸位于蒙城枢纽居中核心位置，建筑面积约2723m2，桥头堡4 层，启闭机房1 层。采用“蝶梦庄生”造型的建筑方案，将抽象处理的蝴蝶剪影印刻在画纸之上，通过庄子梦蝶典故充分展现当地中原地域文化；船闸毗邻节制闸，建筑面积1623m2，上闸首3 层，设连廊连通两侧闸首。上闸首两侧采用翼展造型，与节制闸遥相呼应。整体建筑方案通过蝴蝶飘逸的图案形象地传达了建筑师想要表达的图纸剪影。

2 结构选型及方案设计

2.1 蒙城节制闸

蒙城节制闸分为桥头堡和启闭机房两部分组成，桥头堡两侧端部采用了大悬挑倒三角的蝴蝶造型，翼端悬挑长度达到11.5m，属于大悬挑结构，见图1。交通桥侧设置了12.5m 高度的“V”型柱支承的大平台，平台跨度12m，支承构件属于跃层结构柱。启闭机房居中抬高位置的两跨结构单体设置了大挑檐，悬挑长度为8m。节制闸的建筑造型舒展、轻巧灵动。考虑到水利工程建筑物的特殊性，既要充分展现建筑意图和效果表达，同时要兼顾建筑物的耐久性、维护成本。首先确定了主体结构尽量采用耐久性、防火性更好的混凝土材料，局部采用钢结构。从现场实施难度、进度工期及经济性等多种因素考虑，拟定了具有针对性的结构设计方案（表1）。通过结构方案比选，桥头堡斜墙倒三角大悬挑采用混凝土结构，对悬挑端桁架体系进行优化，悬臂混凝土梁加入型钢，型钢混凝土悬臂梁进一步增加了挑梁刚度，并减少了悬挑部位的结构自重，有效地降低了偏心荷载对下部水工结构的影响，减小了施工作业的难度，提升了建筑功能空间的需要，同时兼顾建筑外观造型，见图2。跃层大平台均采用混凝土材料，V 型柱由斜杆、框架柱组成与框架梁形成三角形体系共同支承平台荷载，并与桥头堡主体结构连接成整体以确保平面外稳定性。启闭机房中部的大挑檐通过结合建筑造型，悬挑结构采用混凝土桁架或增设斜杆，明确传力途径，并使得结构布置与建筑造型协调统一，见图3。

图1 节制闸桥头堡悬挑结构图（优化前）

图2 节制闸桥头堡悬挑结构图（优化后）

图3 节制闸启闭机房挑檐结构图

表1 节制闸结构方案表

2.2 蒙城船闸

蒙城船闸由船闸上闸首和下闸首组成，其中船闸上闸首采用了两侧翼展悬挑的造型，闸首间设置了连廊作为连接两侧闸首的通道。连廊结构跨度达到29.1m，属于大跨度结构。（1）平面结构分析，考虑到两侧闸首都是单跨框架结构，连廊连接支承处位于两侧闸首楼梯间，此层连接处无楼板水平刚度较为薄弱。（2）竖向结构分析，连廊位于结构高度的2/3 以上位置，此层的侧向刚度小于上层（顶层）侧向刚度的50%。综上所述，船闸上闸首属于平面及竖向不规则的连体结构。初步方案拟采用连廊两端与主体结构脱开的结构形式，力求把复杂结构变为传力明确，受力合理的简单结构体系。其次，考虑到连廊距闸室底板的高度为11.5m，如采用混凝土结构，需采用高支模施工方案。不但施工难度较大，而且增加了成本，延长了工期。

经过结构方案的比选，大跨度连廊采用钢桁架结构体系，钢构件采用实腹型H 型钢，工厂预先制作加工，现场整体吊装。此方案不但降低了成本，缩短了工期，且大大减小了施工难度。但是钢结构的耐久性及防火性略差，为保证可靠的耐久性和安全性，减少运管和维护的难度，钢桁架连廊的屋盖和楼盖均采用现浇混凝土结构（铺设的钢筋桁架楼承板作为受力构件可充当永久性模板，其上现浇钢筋混凝土）。连廊直接设在预埋的钢牛腿上，主体结构针对连廊设钢挡板防止侧移倾覆，支座选择采用成品钢支座，设计使用寿命不低于50年。通过以上手段提高了钢结构的耐久性。

3 结论

针对规模较大的水利枢纽工程，建筑物造型较为多样复杂，主要表现在桥头堡及启闭机房屋盖采用大悬挑、大跨度等建筑立面。结构设计可借鉴公建的设计思路，桁架结构及斜杆的灵活运用可基本解决各类大悬挑、大跨度等结构难题。考虑到水利工程的特殊性，应优先考虑采用混凝土结构形式使结构耐久性得到保证，同时要考虑对下部水工结构的影响。通过在混凝土结构中增加型钢减小混凝土构件截面并增加结构延性、优化桁架体系降低上部悬挑结构自重，都将大幅减小对下部水工结构偏心荷载的作用。

对于设置大跨度连廊的船闸建筑物属于连体结构，且结构平面不规则，宜按与主体结构脱开的思路进行设计。针对此类结构，结构的竖向刚度也存在不规则，尤其船闸连廊高度距离作业地面较高，采用混凝土结构支模实施难度较大。可考虑采用钢桁架结构设计连廊，采用整体吊装的方式实现，通过现浇混凝土屋盖、楼面及采用成品钢支座等措施可以满足结构耐久性的需要■