王堤口渡槽下部框架结构荷载组合及应力分析

窦洪国 隋保生 刘红伟 李 鹏

(1.山东省聊城市水利勘测设计院山东聊城252000;2.山东省聊城市水利开发投资公司山东聊城252000;3.山东省聊城市水利工程建设监理站山东聊城252000)

1 工程概况

聊城市位山引黄灌区王堤口渡槽位于聊城市东昌府区境内,是位山三干渠跨越徒骇河的平面交叉建筑物。徒骇河是聊城市境内主要的排涝河道,设计排涝流量323m3/s,设计行洪流量488m3/s。王堤口渡槽设计流量100m3/s,加大流量110m3/s,不仅承担着下游200多万亩农田的灌溉任务,还承担着引黄济津、引黄济淀等跨流域调水的任务,发挥着不可替代的枢纽作用。

王堤口渡槽顺水流向全长98.4m,槽身结构自下而上依次为:灌注桩基础、桩顶连续梁、连续底板、钢闸门侧墙、闸墩、排架、机架桥、机房。其侧墙由18扇直升式平面钢闸门组成,左右两侧各9扇,单孔闸门尺寸 (宽×高)10.8m×4.1m。底板和侧墙共同组成 (宽×高)22.0m×4.1m的矩形输水断面。

2 荷载组合分析

灌注桩基础、盖梁和闸墩共同组成一个多次超静定框架结构,如图1所示。为便于结构计算,根据各杆件的刚度大小关系,对杆件进行合理地简化处理,闸墩、斜撑与盖梁之间简化为刚结点,盖梁与桩基之间简化为铰接点。在进行框架结构内力计算之前,根据渡槽在输水期间可能发生的各种运行工况,将可能同时作用在框架结构上的各种荷载进行组合。

2.1 基本组合Ⅰ

施工完建期 (闸门关闭),渡槽内无水。考虑荷载为结构自重、设备自重、人群荷载以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。

2.2 基本组合Ⅱ

施工完建期 (闸门开启),渡槽内无水。考虑荷载为结构自重、设备自重、人群荷载、风荷载以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。本组合工况注意,钢闸门处于开启状态时,其受到的风荷载不可忽略。

2.3 基本组合Ⅲ

设计水位输水期,渡槽内为设计输水位 (水深2.47m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、人群荷载、风荷载、静水压力以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。

2.4 基本组合Ⅳ

加大水位输水期 (开启闸门时),渡槽内为加大输水位 (水深2.65m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、人群荷载、风荷载、静水压力以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。本组合工况须注意,闸门开启过程中,闸门滑块对闸墩有向上的摩擦力,计算上部结构通过排架传递到 闸墩的力和力矩时,须考虑启闭机运行状态的影响。

图1 闸墩、盖梁和桩基础组成的框架结构

2.5 基本组合Ⅴ

加大水位输水期(关闭闸门时),渡槽内为加大输水位 (水深2.65m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、人群荷载、风荷载、静水压力以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。本组合工况须注意,闸门关闭过程中,闸门滑块对闸墩有向下的摩擦力,计算上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩时,须考虑到启闭机运行状态的影响。

2.6 特殊组合Ⅰ

最高挡水位输水期,渡槽上部结构 (机架桥、机房等)均已安装到位,渡槽内为最高挡水位 (水深4.1m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、人群荷载、风荷载、静水压力以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。

2.7 特殊组合Ⅱ

最高挡水位输水期,渡槽上部结构 (机架桥、机房等)尚未安装,渡槽内为最高挡水位 (水深4.1m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、静水压力以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。

2.8 特殊组合Ⅲ

设计水位输水期加遇设计烈度为7度的地震荷载,渡槽内为设计输水位 (水深2.47m)。考虑荷载为结构自重、设备自重、水自重、静水压力、风荷载、地震荷载以及上部结构通过排架传递到闸墩的力和力矩。

3 结构计算

3.1 渡槽下部框架结构

渡槽下部框架结构为多次超静定结构,其内力计算以常规结构力学的方法不易求解,本次计算利用河海大学工程力学研究所开发的 “水工结构有限元分析系统 V5.6”,采用有限元技术对结构内力进行详细地分析 (特殊组合Ⅰ的荷载简图与内力图略)。

3.2 框架结构各杆件控制截面的内力计算

框架结构各杆件控制截面的内力计算结果如下表所示。

表1 框架结构内力计算结果统计表

4 结语

王堤口渡槽同时承担着引黄灌溉、引黄济津和引黄济淀等任务,在不同的输水时段,渡槽的水位、流量均差异较大,运行工况十分复杂。渡槽下部框架结构是槽身主要的承重部分,其内力计算是整个渡槽设计的关键环节,必须经过慎密细致地分析和计算,以确保整个渡槽结构的安全和稳定。

王堤口渡槽工程于2010年底顺利通过专家组竣工验收,目前已经运行近四个月,观测资料显示,渡槽运行稳定,各项监测指标均正常,未发现任何安全隐患。事实证明,渡槽下部框架结构的内力计算结果是合理可靠的。

因个人水平所限,文中数据的分析及计算疏漏之处在所难免,请各位专家提出宝贵意见,以利于共同学习和提高。