（水利工程专业论文）型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩研究.pdf

s鬻 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盔鱼塞 日 期：兰! ! ! ：! 主：! 仝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔鱼玄导师签名 一 目录 摘要1 a b s t r a c t 2 第一章概述3 1 1 研究背景3 1 2 研究现状5 1 3 研究的技术路线及主要内容6 第二章弧门支座结构研究8 2 1 弧门支座结构方案比选8 2 2 型钢混凝土锚体弧门支座结构研究l l 第三章型钢砼锚体弧门支座预应力闸墩计算方法研究1 6 3 1 型钢混凝土锚体支座闸墩局部受拉区的裂缝控制研究1 6 3 2 闸墩局部受拉扇形区的受拉钢筋配置研究1 7 3 3 型钢混凝土锚体支座承载力研究1 8 第四章设计计算实例2 0 4 1 闸墩支座推力2 0 4 2 闸墩预应力2 1 4 3 局部混凝土承载力计算2 4 4 4 使用阶段抗裂计算2 4 4 5 型钢混凝土锚体支座承载力计算2 5 第五章型钢混凝土和型钢锚体弧门支座有限元分析2 6 5 1 计算参数2 6 5 2 计算工况2 7 5 3 计算成果与分析4 2 第六章现场试验监测4 4 6 1 闸墩测试分析与监测情况4 4 6 2 测试内容及分析4 4 6 3 监测仪器布置4 5 6 4 监测结果4 7 第七章构造设计研究4 9 7 1 材料要求4 9 7 2 构造要求5 0 第八章总结与展望5 2 8 1 研究成果总结5 2 8 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢5 5 山东大学硕士学位论文 弧形闸门混凝土闸墩结构：在支座与支座连接部位及闸墩局部受拉区施加预应力，以抵 消弧门推力所产生的拉应力，从而保证结构满足承载能力及正常使用要求。 预应力混凝土闸墩结构目前在国内外已得到了广泛的应用，但也存在诸多缺点。在 前人研究的基础上，针对刘家道口节制闸工程特点，本研究提出了一种新型结构型 钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩结构。该结构传力明确，受力条件好，解决了弧门支 座与闸墩结合部位及闸墩局部受拉区混凝土抗裂问题，且具有体积小，抗震性能好，有 效改善水流条件，型钢箱体可工厂化生产，弧门铰座螺栓定位准确，易于安装，闸门同 轴度高，运行安全可靠，施工方便，工期短，投资省。 关键词：新型预应力弧门支座，预应力闸墩，刘家道口节制闸。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a t ei so n eo ft h em o s tc o m m o nh y d r a u l i cs t r u c t u r e su s e dt oc o n t r o lw a t e rf l o w a d j u s t m e n t g e n e r a l l y ，t h es m a l l e rs p a no f t h eg a t ei so f t e nu s e di nr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i e r , b u tf o rl a r g es p a n ，r e t a i n i n ga h i 曲d e g r e eo fh i g hg a t e ，i t st h r u s tg r e a t e ru s eo fo r d i n a r y r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r eo fr a d i a lg a t es u p p o r to ft h ep i e rt h e r el o c a lp i e rd i f f i c u l tt o c o n t r o lt h et e n s i l ec r a c k i n g ，r a d i a lg a t es u p p o r tb r a c k e tb u l k y , h e a v ys t r u c t u r e ，p o o rs e i s m i c p e r f o r m a n c eo fo u t s t a n d i n gp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e dt ol a r g e s c a l e p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i e rr a d i a lg a t es t r u c t u r e ：t h eb e a r i n ga n db e a r i n gj o i n t sa n dt h el o c a l p i e rp r e s t r e s s e dt e n s i o nz o n et oo f f s e tt h et h r u s tg e n e r a t e db yr a d i a lg a t et e n s i l es t r e s s ，t h u s e n s u r i n gs t r u c t u r et om e e tt h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dt h en o r m a lr e q u i r e m e n t s p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep i e rs t r u c t u r e sc u r r e n t l ya th o m ea n da b r o a dh a sb e e nw i d e l yu s e d ， b u tt h e r ea r ea l s om a n y d i s a d v a n t a g e s i np r e v i o u ss t u d i e s ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sf o r l i u j i ac o n t r o l l i n gg a t ew o r k s ，t h i ss t u d yp r o p o s e san e ws t r u c t u r e - 一s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e a n c h o r a g eo f r a d i a lg a t es u p p o r ts t r u c t u r eo f p r e s t r e s s e dp i e r t r a n s m i s s i o no ft h es t r u c t u r e c l e a ra n dg o o dm e c h a n i c a lc o n d i t i o n ，s o l v et h er a d i a lg a t es u p p o r ta n dt h eb i n d i n gs i t ea n d t h ep i e rp i e rl o c a lt e n s i l ez o n eo fc o n c r e t ec r a c k i n gp r o b l e m s ，a n dh a sas m a l ls i z e ，s e i s m i c p e r f o r m a n c e ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ef l o wc o n d i t i o n s ，s t e e lb o xb o d yc a nb ei n d u s t r i a l l y a r ch i n g eb o l ts e a tp o s i t i o n i n ga c c u r a c y , e a s eo fi n s t a l l a t i o n ，c o a x i a lg a t eh i g h ，s a f ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o n , c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ，l e s si n v e s t m e n t 2 k e yw o r d ：n e wp r e s t r e s s e dr a d i a lg a t es u p p o r t ，p r e s t r e s s e dp i e r , l i u j i ac o n t r o l l i n gg a t e 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 研究背景 本研究结合沂沭泗河洪水东调南下续建工程刘家道口枢纽刘家道口节制闸工程进 行的。研究成果直接应用于工程建设中。 1 1 1 刘家道口枢纽工程概况 沂沭泗河洪水东调南下刘家道口枢纽工程是国家重点工程建设项目，是实现沂河 洪水东调的关键性控制工程。其主要任务是：在沭河大官庄枢纽工程的配合下，控制沂 河上游来水，使其洪水尽量经新沭河、石梁河水库于临洪河口就近入海，腾出骆马湖、 新沂河部分蓄洪能力接纳南四湖洪水。以提高沂沭泗河中，下游地区的防洪标准。并统 一考虑枢纽蓄水，灌溉、排沙和交通等综合效益。尽可能保护沂河原河势流态，减少河 道泥沙淤积，维持原河道的稳定，减少次生灾害，最大限度地发挥该枢纽的经济和社会 效益。刘家道i ：3 枢纽工程主要由刘家道口节制闸、分沂入沭彭家道口分洪闸、刘家道口 放水洞、盛口放水洞、姜墩放水洞、李公河防倒漾闸、李庄闸、等组成。刘家道口节制 闸是刘家道口枢纽工程主体工程。 刘家道口节制闸是位于临沂市刘家道口村北的沂河干流上。工程规模大i 型，工 程等级i 等，建筑物级别1 级，次要建筑为3 级，临时建筑物为4 级，地震设防烈度9 度。设计洪水标准5 0 年一遇，设计流量1 2 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 1 4 m ，闸下水位 6 0 9 6 m ；校核洪水标准1 0 0 年一遇，校核流量1 4 0 0 0 m 3 s ，相应闸上水位6 1 7 6 m ，闸下 水位6 1 5 5 m 。最高档水位6 1 0 6 m ，闸门最高挡水高度8 2 m 。闸交通桥设计标准二级公 路桥，桥面净一9 + 2 1 o m ，桥面高程6 4 3 6 m l 引。 1 1 2 刘家道口节制闸工程设计方案 刘家道口节制闸位于沂河的中下游，河道上游山高坡陡，中下游河道弯曲具有洪 峰高，流量大，历时短，水势猛等特点，要求闸门启闭灵活，安全可靠，节制闸宜采用 大跨度闸门。弧形闸门的启闭方式关系到整个节制闸的结构型式，是工程设计过程中的 山东大学硕士学位论文 一个重要环节，不仅可以降低工程量、节约投资，还能提高整个工程的运行质量和性能。 刘家道口节制闸工程实际进行了多种启闭方案的比较，并由此选定了液压启闭机布置方 案，有效地提高了工程的抗震性能，降低了工程造价。根据工程地质情况，研究中拟定 了单孔净宽2 0 m 、1 6 m 和1 2 m 三种方案进行了综合经济技术比较。三种方案闸室均采 用开敞式钢筋混凝土结构，弧形钢闸门，液压启闭机。经比较，单孔净宽1 2 m 方案工 程投资最大，2 0 m 和1 6 m 方案投资相当，从工程维护和防洪控制运用等方面考虑，孔 口净宽1 6 m 方案较2 0 m 方案更灵活。因此确定刘家道口节制闸单孔净宽采用1 6 m 方案。 刘家道口节制闸为开敞式曲线型低堰水闸，闸室总净宽5 7 6 o m ，共3 6 孔，单孔 净宽1 6 o o m ，闸底板与闸墩采用分离式钢筋混凝土结构。闸室顺水流方向的长度为 2 7 5 0 m ，垂直水流方向总宽6 4 6 o m 。工作闸门为钢质弧形门，尺寸( 宽x 高) 1 6 8 5 m ， 液压式启闭机，检修闸门为钢质叠梁门，门式启闭机及现浇钢筋混凝土检修桥，闸室下 游侧设装配式钢筋混凝土交通桥，交通桥荷载标准为二级公路桥【l 】。 闸室为开敞式大小底板结构，总净宽5 7 6 o m ，共3 6 孔，每孔净宽1 6 o m ，闸室内 设工作闸门和检修闸门各一道，工作闸门为钢质弧形门，尺寸1 6 o 8 5 m ( 宽高) ，设 置1 8 套液压启闭机控制系统，1 8 座供油泵房，泵房布置在闸墩顶部，检修闸门为平板 钢质叠梁门及门式启闭机；检修闸门前后分别布置电缆管桥和供油管线桥，并兼作检修 桥；桥面宽净呻+ 2 1 o m ，桥面高程6 4 3 6 m 。 闸墩布置原则：闸墩的长度应满足闸门、检修桥、交通桥及供油泵房的布置要求； 闸墩厚度除满足工程强度要求外，还应满足抗滑稳定、地基承载力稳定要求；闸墩 的外形应使过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大。 根据以上布置原则，闸墩长2 6 5 m ，闸墩厚度为2 0 m ，闸底板顶高程5 2 3 6 m ，大 底板厚2 5 m ，宽1 0 o m ，闸底板长2 7 5 m ，为了减小闸门高度，闸门下设有高0 5 m 的 曲线实用堰 2 1 。 1 1 3 闸墩设计中需要解决的重大技术问题 刘家道口节制闸是国内平原河道最大的水闸，由于闸门跨度大，且工程位于强地 震烈度区( 地震动峰值加速度0 4 2 9 9 ，地震动反映谱特征周期0 3 0 ，相应地震基本烈 度为度) ，闸门水推力较大，弧门支座与闸墩的连接部位会产生较大的集中拉应力， 并在连接部位的上游闸墩区域将形成局部扇形受拉区。采用普通钢筋混凝土闸墩及弧门 4 问题： 大跨度弧门支座与闸墩的连接部位及闸墩局部受拉区混凝土抗裂或限裂性能差； 混凝土弧门支座牛腿体积大，结构笨重，抗震性能差，且影响行洪； 弧门支座牛腿与闸墩连接部位应力状态复杂； 在混凝土牛腿预埋闸门支铰同轴度差； 弧门支座牛腿的钢筋网与闸墩的钢筋网交织在一起，施工难度较大。 针对普通钢筋混凝土闸墩存在的以上问题，经综合论证，闸墩局部扇形受拉区采 用预应力混凝土结构。即在闸墩局部扇形受拉区及与支座连接部位通过高强度钢绞线来 施加预应力，用以抵消弧门推力所产生的拉应力，从而可解决闸墩局部扇形受拉区及与 支座连接部位的承载能力及抗裂问题。 同样，预应力弧门支座结构存在以下问题： 混凝土弧门支座牛腿体积大，结构笨重，抗震性能差，且影响行洪； 弧门支座牛腿与闸墩连接部位应力状态复杂； 在混凝土牛腿预埋闸门支铰同轴度差； 弧门支座牛腿的钢筋网与闸墩的钢筋网交织在一起，施工难度较大。 在刘家道口节制闸闸墩设计中，需要解决以上技术难题。 1 2 研究现状 闸墩是闸门的重要组成部分，它固结在闸室底板上，由于钢筋混凝土抗压、抗拉、 抗渗性能较强，目前，国内外水闸闸墩、闸底板均采用普通钢筋混凝土结构或预应力混 凝土结构4 1 。 一般较小跨度的弧形闸门，因水推力较小，常采用普通钢筋混凝土闸墩，弧门支座 常采用闸墩两侧悬臂出的钢筋混凝土牛腿结构，与闸墩整体浇筑，支座前扇形受拉辐射 筋常采用r 3 3 5 普通钢筋。 一些较大跨度或高水头的水闸，当巨大的水推力通过弧门支臂集中作用在闸墩的弧 门支座上时，支座与支座连接部位及闸墩局部受拉区将产生较大的拉应力，采用普通钢 筋混凝土闸墩及弧门支座不能满足结构的抗裂或限裂要求，可在闸墩受拉区及与支座连 接部位采用预应力混凝土，以抵消弧门推力所产生的拉应力，从而保证结构满足承载能 力及正常使用要求。 山东大学硕士学位论文 将预应力技术应用于大型弧形闸门混凝土闸墩结构，始于2 0 世纪5 0 年代末突尼斯 梅列格溢洪道。2 0 世纪6 0 年代美国在修建瓦纳堡溢洪道时，对预应力混凝土闸墩结构 进行了比较系统的应力分析和实验研刭3 6 j 。我国在2 0 世纪7 0 年代首次成功地应用于葛 洲坝枢纽，随后龙羊峡、鲁布革、岩滩、二滩等工程都采用了预应力闸墩。 弧门支座是闸墩上的重要的支撑结构，其支座安全与否直接影响着整个水闸工程的 安全运行，因此，弧门支座的结构应有足够的承载能力。支座的型式虽有许多，但目前 较常用的是钢筋混凝土深梁支座和预应力混凝土锚块支座。钢筋混凝土深梁式支座为悬 臂出闸墩的牛腿式支座结构，与闸墩浇筑成一体。当在巨大的门推力作用下，为了保证 支承结构的安全可靠和正常运行，大多采用预应力混凝土锚体支座，锚块上游端与闸墩 交接部( 即颈部) 在弧门推力作用下总存在一定量的拉应力，且预应力锚束施加的预应力 越大产生的次生应力越大3 0 1 。 支座的结构型式应力求在预应力锚束的预应力作用下产生较大的预压应力，而在 水推力作用下产生较小的拉应力，从而在满足强度和抗裂要求的条件下，减少预应力锚 束。支座设计的经济指标常用拉锚系数m 值表示，即预应力总吨位p 和水推力t 之比值 ( m = p t ) ，我国已建工程的i n 值在1 6 - - 3 0 之间【2 9 】，广西平班水电站溢流闸弧门支座 采用了带缝腔的预应力混凝土锚块，通过在锚块内设置缝腔，使预应力通过传力梁有效 传递至弧门推力支座，大大增加了预压效果，使拉描系数降低至1 5 4 ，有效降低了次生 应力。该新型支座虽增加了预压效果，但仍存在着体形较大而复杂，不便于施工等问题 【l l 】。国外已建工程的m 值在1 4 1 8 之间。我国在支座设计方面与国外相比有一定差 距。 结合刘家道口节制闸工程闸门跨度大、强地震设防等特点，针对混凝土锚体弧门支 座存在的技术难题，在工程设计中需研究一种新型锚体支座结构，使其结构尺寸小，受 力条件及抗震性能好，易于施工，投资省，且提高闸门安装的同轴度，使闸门启闭运行 更加安全可靠。在全面调研及深入分析论证的基础上，开展了型钢混凝土锚体弧门支 座的研究。 1 3 研究的技术路线及主要内容 1 3 1 技术路线 6 针对常规混凝土锚体弧门支座与闸墩连接部位及闸墩局部受拉区结构存在的突出 山东大学硕士学位论文 问题，紧密结合刘家道口节制闸工程特点，通过调研国内外研究现状和技术查新、经采 用多方案技术经济比选，提出一种适合于大跨度、高水头水闸的新型弧门支座结构，采 用先进的计算理论和方法，建立该新型弧门支座结构的数学模型，对新型结构进行系统 研究，并开展有针对性的监测研究，确定新型结构的设计理论和方法的合理性、先进性， 解决常规弧门支座结构存在的突出问题；并将其研究成果推广应用于刘家道口节制闸工 程中。 1 3 2 主要研究内容 1 针对普通混凝土和预应力混凝土弧门支座存在的问题，研究弧门支座结构特点、 计算方法，提出技术可行、经济合理、施工方便的闸墩结构方案型钢混凝土锚体弧 门支座预应力闸墩这一新型结构型式； 2 在分析总结现有钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土和型钢混凝土结构计算理论的 基础上，提出了型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩正常使用极限状态和承载能力极限 状态的计算方法； 3 为了验证上述计算方法的合理性与可靠性，进行了有限元分析； 4 4 进行型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩的现场试验研究，验证计算方法的可 靠性； 5 结合型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩结构的特点，并考虑到工程应用的便 利，提出了型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩的设计建议，为工程应用奠定技术基础。 7 山东大学硕士学位论文 第二章弧门支座结构研究 2 1 弧门支座结构方案比选 根据技术调研和技术查新，目前国内外常用弧门支座形式有，钢筋混凝土牛腿式深 梁弧门支座、预应力混凝土锚体式弧门支座、缝腔的预应力混凝土锚体支座和型钢梁式 支座等四种形式，针对常规门支座结构存在的技术问题，结合刘家道口节制闸工程实际 情况，提出了型钢混凝土锚体弧门支座方案，与上述各种弧门支座进行比较。 2 1 1 常规混凝土锚体弧门支座结构分析 刘家道口节制闸工程弧门跨度较大，地震设防烈度9 度，若采用钢筋混凝土深梁式 支座则其体积大，支座与闸墩结合部位受力复杂，并要求闸墩同步浇筑，在温控及张拉 时间上均有特殊要求，大大增加了施工的难度，且预应力深梁式支承体系块体大，影响 行洪，不利于结构抗震。 支座 漆、 、 心 闸墩 ， 一夕 一 ， 夕 图2 一l 钢筋混凝土深梁式支座 图2 2 预应力锚块式支座 素 山东大学硕士学位论文 预应力锚块式支承体系较为经济、合理。目前通常采用预应力混凝土锚体式弧门支座结 构。预应力混凝土锚块弧门支座可分为简单式锚块和复杂式锚块两种。简单锚体支座结 构受力复杂，预应力锚束布置于闸墩两侧，其中一部分预压应力损失于闸墩内部，而难 以有效传至弧门支座，从而造成拉锚系数m 值一般在1 6 - - 3 0 。若采用颈缩的复杂锚块 虽可增加有效预应力，但偏心受力时侧向刚度较小，不利于结构安全，其体形也较复杂， 不便于施工。 f i 山 t m 图2 3 带缝腔的预应力混凝土锚体支座 广西平班水电站溢流闸弧门支座采用了带缝腔的预应力混凝土锚体支座，通过在锚 块内设置缝腔，使预应力通过传力梁有效传递至弧门推力支座，大大增加了预压效果， 使拉描系数降低至1 5 4 ，有效降低了次生应力。该新型支座虽增加了预压效果，但仍存 在着体形较大而复杂，不便于施工等问题【】。常规混凝土锚体支座存在以下技术问题： 1 弧门支座钢筋网与闸墩的钢筋网交织在一起，施工难度较大； 2 弧门铰座预埋在混凝土中，浇筑混凝土时易变位，需要较繁琐的校正工序； 3 混凝土牛腿体积大，结构笨重，抗震性能差，影响行洪； 4 锚体支座及闸墩受力较复杂。 2 1 2 型钢结构锚体弧门支座结构分析 目前钢结构支座一般仅用于支铰推力较小的钢筋混凝土闸墩上。但钢结构也具有 刚度大、承载能力高、体积小及抗震性能好等优点，本研究提出了型钢锚体弧门支座进 行比较。刘家道口节制闸如采用型钢锚体支座，在结构满足承载能力和j 下常使用的前提 下，需要钢箱体厚度1 0 0 m m ，型钢箱体采用钢板焊接组合而成箱体，主要由翼板、腹 板、加强板、垫板、钢挚圈、钢管孔道组成f 3 2 | 。 型钢结构支座可工厂化施工，施工方便，工期短；弧门支铰安装在钢结构上，水 推力通过弧门面板依次传递给弧门支臂、型钢混凝土锚体支座、预应力筋和闸墩上，传 9 山东大学硕士学位论文 力明确。 解决的技术难题：( 1 ) 解决了闸墩扇形受拉区混凝土抗裂问题；( 2 ) 提高了闸门 安装的同轴度，闸门启闭运行更加安全可靠；( 3 ) 钢结构锚体支座可工厂化施工，施 工方便，工期短，结构轻巧，受力明确，抗震性能好。 型钢结构锚体弧门支座缺点是在巨大预压力作用下，型钢变形量大，预应力损失 大，因此，钢材用量大，投资大。 2 1 3 型钢混凝土锚体弧门支座分析 针对钢结构支座钢材用量大，投资大技术问题，设计提出了一种新型锚体弧门支 座结构型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩结构。该结构采用型钢箱体，并在箱体 内充填细石混凝土，形成型钢混凝土结构，该结构可以充分利用型钢的抗拉强度和型钢 箱体内混凝土抗压强度，大大提高了结构的承载能力和刚度。型钢箱体采用钢板焊接组 合而成箱体，主要由翼板、腹板、加强板、垫板、钢垫圈、钢管孔道组成。 2 1 4 方案比选 型钢混凝土锚体支座与钢结构和常规的混凝土支座比较，存在的优缺点见表2 1 。 表2 1型钢混凝土锚体支座与钢支座、普通钢筋混凝土支座比较表 支座类型优点 缺点 1 体积小，结构轻巧，抗震性能好，不影响行洪； 2 弧门支座与闸墩连接简单，施工方便，使预应 力通过型钢砼梁有效传递至弧门支座，大大增加 相比混凝土支座了预压效果，使拉描系数降m 值低至1 4 4 ：有效减 含钢量较大，造价较高。 少预应力筋； 3 承载能力强，且便于工厂化生产； 4 闸门支铰同轴度好；运行安全可靠。 1 截面刚度大，挠度、振动小； 相比钢支座结构自重大。 2 节省钢材8 0 ，投资省。 从以上分析可见，型钢混凝土锚体支座与钢结构支座和混凝土支座相比，具有明 显的优越性。随着设计理论的逐步完善和实际工程经验的不断积累，经过精心设计和施 工，可获得美观、耐久、安全的使用功能，并取得显著的经济效益，型钢混凝土锚体支 座将得到越来越多的应用。 经综合比较，刘家道口节制闸弧门支座选定型钢混凝土锚体支座。型钢混凝土组合 箱体结构较普通混凝土结构具有断面尺寸小、刚度大、承载能力强及抗震性能好等优点， 1 0 山东大学硕士学位论文 是近年来在组合结构领域的重要发展方向，采用型钢混凝土锚体支座是一种较好选择。 型钢混凝土锚体弧门支座预应力混凝土闸墩可使型钢混凝土锚体支座、预应力筋及混凝 土闸墩共同作用，协调工作，实现对构件拉应力区的应力控制，从而显著改善构件在正 常使用阶段的工作性能。为此，将预应力技术和型钢混凝土锚体支座结合起来，形成型 钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩。从定性的角度分析，该新型支座具有预应力结构和 型钢混凝土结构的双重优点，结构轻巧，受力明确，抗震性能好，易于施工，便于工厂 化生产且投资省。不但解决了闸墩扇形受拉区混凝土抗裂问题，而且提高了闸门安装的 同轴度，使闸门启闭运行更加安全可靠。从而可为组合结构的推广应用开辟更广阔的 前景。 如前所述，虽然型钢混凝土锚体支座有众多优点，但需要解决型钢混凝土锚体弧门 支座预应力闸墩的设计计算方法和数学模型问题。 2 2 型钢混凝土锚体弧门支座结构研究 2 2 1 型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩结构布置 针对混凝土锚体弧门支座存在的技术难题，结合刘家道口节制闸洪峰高，流量大， 历时短，水势猛，且位于强地震区等特点，设计提出了一种新型锚体弧门支座结构 型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩结构。该结构采用型钢箱体，并在箱体内充填细石 混凝土，形成型钢混凝土梁，利用预应力筋将其锚固在混凝土闸墩上，型钢混凝土梁中 部作为预应力锚体，悬臂出闸墩部分作为弧门支座，预应力筋布置在锚体支座与支座连 接部位及闸墩局部受拉区，预应力筋一端锚固在弧形闸门槽预留的二期混凝土内，另一 端锚固在型钢混凝土锚体上。为满足预应力筋的锚固要求，型钢混凝土断面可局部加大， 组合成异型断面梁式锚体。为防止锚体下角点与墩体交接处有较大的应力集，并保证锚 体与闸墩紧密贴合，在锚块下部与闸墩体之间设有预埋钢垫板隔开，以避免支座附近闸 墩混凝土的应力集中。型钢混凝土锚体、预应力筋及混凝土闸墩共同作用，形成型钢混 凝土锚体支座预应力闸墩结构详见图2 4 。钢结构锚体支座与型钢混凝土锚体支座结构 基本相同，区别在于型钢箱体内是空的，不充填任何材料。 山东大学硕士学位论文 型塑堡鳖圭堕箜墨! ! 圭壅塑些生塑燮查篁型1 - - l 剖视图 图2 4型钢混凝土锚体支座预应力闸墩结构 2 2 2 预应力锚束体系的布置 为使弧门支铰与闸墩连接区的集中应力得以合理扩散及最大限度的均化，预应力闸 墩锚束的布置应尽量与主拉应力迹线一致，并使预压应力的合力方向与弧门推力作用线 一致。根据刘家道口节制闸受力特点，锚束在立面上分5 排呈扇形布置，中间锚束与水 平线夹角为2 9 5 度，其余锚束在其两侧对称布置，相邻锚束间夹角为1 0 度。边墩一侧、 中墩每侧各布置一排预应力锚束。闸墩的预应力锚束( 辐射筋) 的布置详见图2 5 。 扇形预应力锚束i | i li i i li， t il - - - - - z _ j 中墩；- 一 it _ - - - r t - li - i i i i i 哑l ； 擘| l 1 2 ( a ) 中墩 山东大学硕士学位论文 扇形预应力锚束 i i i i 1 i i， + 边墩 i l i i 迦i ( b ) 边墩 图2 - 5闸墩的预应力锚束布置图 预应力闸墩锚束在厚度方向上可采用平行、弯曲、交叉式等布置形式。弯曲锚束虽 可增加预压效果，但锚束套管加工麻烦，弯曲段摩阻损失大，锚束较长时需要两端张拉。 交叉锚束能改善支承体应力，但需在闸墩表面预留楔形浅槽，槽隅处易产生应力集中， 锚束钢套管的架立定位较为困难。平行锚束施工方便，布置较为灵活，因而本工程采用 此布置形式。 由于弧门推力引起的闸墩受拉区在弧门支座与门槽之间，门槽上游侧由水荷载所产 生的拉应力量值一般较小，可以用普遍钢筋混凝土结构解决，因此将预应力锚束布置于 弧门支座与门槽之间，为了避免闸墩混凝土浇筑与锚束张拉发生矛盾，影响施工进度， 采用后张法施工较佳。为施工方便，本工程将锚束一端锚固在预留二期门槽内，另一端 锚固在锚体上。 2 2 3 型钢混凝土锚体弧门支座结构布置 1 结构布置 型钢混凝土锚体弧门支座，由锚体和支座两组成，锚体部分长度同闸墩2 o m ，为满 足预应力筋的锚固要求，型钢箱体断面可局部加大，组合成异性断面梁式锚体，锚体两 端悬臂出闸墩部分为弧门支座，为方便铰座安装，在型钢上预留螺栓孔。结合刘家道口 节制闸工程规模大的特点，3 7 个型钢箱体便于工厂化生产，型钢箱体采用q 3 4 5 钢板焊 接组合而成箱体，主要由翼板、腹板、加强板、垫板、钢垫圈、钢管孔道组成。为减少 钢材用量，降低工程投资，在型钢箱体充填细石混凝土，充分利用了混凝土和钢两种材 料不同的受力性能，提高构件的承载力，增加刚度。由第三章结构计算可知，刘家道口 节制闸如采用型钢混凝土支座，在结构满足承载能力和正常使用的前提下，需要型钢箱 山东大学硕士学位论文 体厚度2 0 n u n ，型钢混凝土锚体弧1 _ 支座详见图2 - 8 。 广 d a - a 型钢混凝土锚体弧门支座 姓锚体段姓 生量边线l 心血避 生量垂线 、 限羽 隔 。 衣， 1 0脚 o 訇 - _ 一 o i i i - o。旦ko 长 zi 槲l oo 再一 o _ _ - 一 _ _ 一一一 o 8 删 - 嗣 j 、 1 m 一 訇一百fo ：0jfji k 0 oo i 、 i 旷 1 1 妇定铰座 哗 当 线 匕： 止=j 1 4 中墩挞 i 女t ： ， i lj 1 l i t) 0 l l i io ok l i _ _ _ - - 一 叵 谢 ； i 丫i旦 嚣 ) 二j _ _ 一 一 ；要 oo 、 、| 区烂出j ( # u日邑 帅 1 l， - 簋j i 弋 _ - 二l ，、一 ， i 。1。 ( b ) 中墩型钢混凝土锚体弧门支座 ( c ) 边墩型钢混凝土锚体弧门支座 图2 6 型钢混凝土锚体弧门支座 山东大学硕士学位论文 2 与常规混凝土锚体支座结构比铰 闸墩锚体支座位置预留二期混凝土，预留的空间以满足张拉操作为宜，为便于锚体 支座安装、调整和固定，需要预埋基础钢板。为保证锚体与闸墩结合面贴合密实，在浇 筑一期闸墩时预埋钢板，预埋钢板定位要准确，待锚体支座吊装就位后固定后充填细石 混凝土。型钢箱体可以工厂化生产，运至工地吊装就位后强度达到设计强度7 5 时，实 施预应力张拉。 型钢混凝土锚体支座与常规混凝土锚体支座结构相比，具有如下优势： 1 型钢箱体可以工厂化生产，施工质量易控制，节省钢筋、模板制安及脚手架支护 等繁琐施工工序，可大大缩短施工工期，降低工程费用，尤其对于像刘家道口节制闸这 样大规模的闸，效益更加可观。提前投入运营，创造的社会效益更是无法估量。 2 弧门铰座安装在型钢混凝土锚体支座上，水推力通过弧门面板依次传递给弧门支 臂、弧门支铰、型钢混凝土锚体支座、预应力筋和闸墩上，传力明确。 3 在型钢上安装闸门支铰，位置精度易控制，不需要繁琐的校对工序，同轴度高， 闸门运行更加安全可靠。 4 整体受力性能好，刚度大，延性好，且截面小，自重轻，综合经济指标较高。 2 2 4 型钢混凝土锚体支座工作机理 预应力锚束布置于闸墩两侧，常规混凝土锚体难以将预应力有效传至弧门支座，预 压应力在闸墩内部损失量较大，从而造成拉锚系数m 值一般较大。而型钢混凝土锚体支 座系外包型钢混凝土结构，型钢抗压、抗拉、抗剪承载能极强，内包混凝土又增加其整 体刚度，组成较好的传力梁，水推力通过弧门面板依次传递给弧门支臂、弧门支铰、型 钢混凝土锚体支座、预应力锚束及闸墩上，预压力直接有效抵消支座推力，大大增加了 预压效果。且在锚体上游侧与闸墩体之间设有预埋钢垫板，用以承受锚体下角点与墩体 交接处产生的集中拉应力。本研究提出的型钢混凝土锚体支座拉描系数m 值降低至1 4 4 ， 优于常规简单锚块预应力闸墩拉描系数m 值1 6 3 0 。 山东大学硕士学位论文 第三章型钢砼锚体弧门支座预应力闸墩计算方法研究 型钢混凝土锚体弧门支座预应力闸墩作为一种新型的结构型式，现有规范规程缺少 其设计计算方法。本研究在现有钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土和型钢混凝土设计计算 方法的基础上，根据型钢混凝土弧门支座的受力特点，提出型钢混凝土弧门支座的设计 计算方法。 3 1 型钢混凝土锚体支座闸墩局部受拉区的裂缝控制研究 与普通钢筋混凝土弧门支座不同，型钢混凝土弧门支座与闸墩结合面的粘结力较 弱，如无预应力作用，在弧门水推力作用下，型钢与混凝土非常容易脱开，难以满足抗 裂要求。 在正常使用状态下，弧门水推力产生的拉应力应小于预应力钢筋产生的预压力。根 据这一原则，参照预应力混凝土构件的设计计算规定，提出型钢混凝土锚体支座预应力 闸墩局部受拉区的裂缝控制计算公式如下： 在荷载效应标准组合下，正截面混凝土法向应力应符合下列规定： 仃曲一仃肛o ( 3 - 1 ) 其中， 咿竿 ( 3 _ 2 ) 1 闸墩受两侧弧门支座推力作用时： 咿等 ( 3 _ 3 ) 将式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 代入式( 3 1 ) 中得： 2 r , s n p o ( 3 - 4 ) 2 闸墩受一侧弧i - j 支座推力作用时： d 出= e ( 1 b + 广6 e o ) ( 3 - 5 ) 将式( 3 2 ) 、( 3 5 ) 代入式( 3 1 ) 中得： e ( 赤) ( 3 6 ) 山东大学硕士学位论文 式中仃d 按荷载标准值计算的弧门推力作用下，闸墩边缘的混凝土法向应力 ( n 姗2 ) ： 仃一扣除全部预应力损失后全部预应力钢筋在闸墩边缘上产生的混凝土法向预压 应力( n l m m 2 ) ； 加一扣除全部预应力损失后全部预应力钢筋产生的垂直于型钢混凝土锚体支座 与混凝土闸墩接触面的有效预压力( n ) ； 以一按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门垂直接触面的推力值( n ) ； 4 一型钢混凝土锚体支座与混凝土闸墩接触面面积( m m 2 ) ，4 = b b ； b 一闸墩厚度( m m ) i b 一型钢混凝土锚体支座宽度( r a m ) 。 3 2 闸墩局部受拉扇形区的受拉钢筋配置研究 普通钢筋混凝土弧门支座闸墩局部受拉承载力计算公式是根据闸墩局部受拉破坏 试验得出的。闸墩局部受拉破坏是以通过局部受拉裂缝的钢筋达到屈服强度为标志的。 型钢混凝土锚体弧门支座闸墩局部受拉破坏的位置是：沿弧门支座支承面与闸墩交接处 形成临界竖向裂缝。参照普通钢筋混凝土弧形闸门支座闸墩局部受拉承载力计算公式， 得到型钢混凝土弧形闸门支座闸墩局部受拉承载力计算公式： 闸墩受两侧弧门支座推力作用时： k f f y 4 ，c o s 0 , + 厶a c o s o , ( 3 7 ) 闸墩受一侧弧门支座推力作用时： k f 了接( 工兰ac o s 9 + 厶窆z i p , c o s 9 ) ( 3 8 ) e o + q s b as 、3 怎m 刃 。 式中k 一承载力安全系数，水工混凝土结构设计规范( s l l 9 1 2 0 0 8 ) 中表3 2 4 采 用； f 一闸墩一侧弧门支座推力的设计值( n ) ； 彳。一闸墩一侧局部受拉范围内的第i 根局部受拉普通钢筋的截面面积，该钢筋必须 与锚固体型钢可靠焊接( m m 2 ) ； 彳。，一闸墩一侧局部受拉范围内的第i 根局部受拉预应力钢筋的截面面积( m m 2 ) ； 山东大学硕士学位论文 f ，一局部受拉普通钢筋的抗拉强度设计值( n m m ) ； ，一局部受拉预应力钢筋的抗拉强度设计值( n r a m 2 ) ； 反一受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离( 1 砌) ； 口。一局部受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离( m m ) ； 9 一第i 根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角( o ) 。 3 3 型钢混凝土锚体支座承载力研究 3 3 1 型钢混凝土锚体支座正截面受弯承载力计算 1 基本假定型钢混凝土锚体支座的正截面受弯承载力计算，采用下列基本假定： ( 1 ) 截面的应变保持平截面状态； ( 2 ) 不考虑混凝土的抗拉强度； ( 3 ) 受压区边缘混凝土的极限压应变取： s 。= 0 0 0 3 3 一( 厶k 一5 0 ) x 1 0 式中 厶。混凝土立方体抗压强度标准值( n r a m 2 ) 。 如果计算的s 。值大于0 0 0 3 3 ，取为0 0 0 3 3 。 ( 4 ) 受压区混凝土的应力图形简化为等效的矩形，其高度x 取按平截面假定的中 和轴高度乘以系数0 8 ；矩形应力图形的应力取为混凝土轴心抗压强度设计值c 。 ( 5 ) 型钢腹板的拉、压应力图形均为梯形，计算时简化为矩形应力图形； ( 6 ) 受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变取o 0 1 。 2 计算公式 型钢混凝土锚体支座受弯承载力，等于其受压区的混凝土、型钢翼缘、型钢腹板三 部分承载力之和。参照钢骨混凝土结构设计规程( y b 9 0 8 2 9 7 ) 和型钢混凝土组合 结构技术规程( j g j l 3 8 - 2 0 0 1 ) 中有关规定，根据前述假定，公式推导如下： 1 8 hf a a 自 | 鲁 厶a 。 # # 二i 。弋 立b t w 厶 h 三目 i u 图3 - 1 型钢混凝土弧门支座正截面应力图形 山东大学硕士学位论文 水平力平衡： 以4 一工4 一z h + 2 ，。，( 厅一2 x ) = 0 ( 3 - 9 ) 对截面形心轴取矩得到受弯承载力： m = z 搬( 冬+ 吾) + 丘o x 2 + f 。a o ( h + t i ) ( 3 1 0 ) 混凝土受压区高度应x 乙，且x 色厅。 式中卜型钢混凝土锚体支座受弯承载力( n r a m ) ： 疋混凝土轴心抗压强度设计值( n m m 2 ) ； 6 型钢混凝土锚体支座的内填混凝土宽度( n 吼) ； x 混凝土受压区高度( t u r n ) ： 正型钢抗拉强度设计值( n u l l ) ； 型钢抗压强度设计值( n u n ) ，一般同丘，上式推导中采用以= z ； 4 、4 型钢翼缘截面面积( m m 2 ) ； ，。型钢腹板厚度( r a m ) 。 计算时由式( 3 9 ) 求出混凝土受压区高度x ，带入式( 3 1 0 ) ，可求得型钢混凝土 锚体支座的受弯承载力，详见图3 - 1 。 3 3 2 型钢混凝土锚体支座抗剪承载力计算 在型钢混凝土锚体支座受剪承载力计算，其斜截面抗剪承载力与普通型钢混凝土梁 相似。参照行业规程型钢混凝土组合结构技术规程( j g j l3 8 2 0 0 1 ) 5 1 4 - - 5 条有 关型钢混凝土框架梁斜截面受剪承载力公式，其斜截面受剪承载能力主要由混凝土、箍 筋和型钢腹板三部分构成，参照混凝土结构设计规范( g b5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中混凝土部 分的抗剪承载力参数由混凝土抗拉承载力f 代替抗压承载力疋，承载力公式采用如下 形式： v = o 7 f b h + 2 x o 5 8 t 。k ( 3 1 1 ) 式中v 二一型钢混凝土锚体支座受剪力承载力设计值( n ) ； z 混凝土抗拉强度设计值( n m m 2 ) ； h 型钢混凝土锚体支座内填混凝土截面计算高度( m m ) ； h 。型钢腹板高度( m m ) ； z 型钢腹板抗拉强度设计值( n m m 2 ) 。 1 9 山东大学硕士学位论文 第四章设计计算实例 刘道口节制闸，采用型钢混凝土锚体弧门支座，设计中采用上述计算公式进行型钢 混凝土锚体弧门支座结构的设计计算。 4 1 闸墩支座推力 4 1 1