大跨度预应力水闸底板的设计

　　摘要：本文结合义泽河闸工程实例，介绍了大跨度水闸底板内力计算，并针对所采用预应力混凝土设计的重点与难点进行了详细阐述，为预应力混凝土在水工混凝土结构中的应用做了大胆的尝试，为今后类似工程设计提供了重要的参考。

　　关键词：预应力;大跨度;水闸底板;设计

　　0引言

　　预应力混凝土是为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，设法在混凝土结构或构件承受使用荷载前，通过施加外力，使得构件受到的拉应力减小，甚至处于压应力状态下的混凝土构件。目前，预应力混凝土已广泛用于工业与民用建筑及交通建筑工程，例如预应力空心楼板、冂形屋面板、屋面大梁、预应力桥梁、铁路轨枕等已大量采用。在水工建筑中也已逐渐用来修建码头、栈桥、桩、闸门、渡槽、圆形水池、公作桥等结构构件。

　　1工程概况

　　盐东控制工程是灌河流域的末级控制工程，位于连云港市灌南县境内，是一项兼有挡潮、排涝、灌溉、防洪、航运等多功能综合利用的大型水利枢纽工程。义泽河闸作为盐东控制枢纽的重要建筑物之一，主要有挡潮御卤、防洪、排涝降渍、蓄淡灌溉和通航等作用。按照现行海堤达标要求,义泽河闸拆建工程建筑物级别为2级，设计排涝标准为十年一遇，设计排涝流量为291m3/s。考虑到义泽河闸闸室底板处地基情况较好，设计中突破常规，采用了大跨度整底板结构并配以预应力结构以减少工程投资并确保工程安全应用。

　　2工程设计

　　2.1结构尺寸

　　新建义泽河闸闸室为开敞式平底板结构，共3孔，其中2边孔每孔净宽10.0m，中孔净宽16.0m，闸孔总净宽36.0m。水闸边墩厚1.2m，中墩厚1.5m，底板厚2.2m，边墩外侧不设岸墙，边墩直接挡土。闸室底板顶面高程▽-2.5m，为一块整底板结构，底板顺水流方向长17.0m，垂直水流方向总宽41.4m。闸室上游侧(盐河侧)设公路桥，桥面高程11.0m，总宽10m。闸顶设交通桥，交通桥荷载等级为公路-Ⅱ级。工程建筑物级别为2级，环境为三类，设计地震烈度为Ⅵ度。

　　按照《水闸设计规范》规定“土基上分段长度不宜超过35m”，本设计中闸室底板长达41.4m，比规范规定超出了近20%。因此，整个工程中底板的设计是一个重点与难点。

　　2.2底板结构内力计算

　　2.2.1计算方法

　　闸室底板结构内力采用弹性地基梁法计算，《河海大学水工结构有限元分析系统(Autobankv4.0)》软件进行计算，共分五种工况(完建期、正向设计水位组合、反向设计水位组合、正向校核设计水位组合、反向校核水位组合)，以工作门为界，分别对闸室上、下游两侧底板进行内力计算，计算分别取上、下游底板顺水流方向1m单宽板条的横截面进行计算，底板计算断面简图下图。

　　图1底板内力计算简图

　　2.2.2地质参数

　　根据地质勘探资料，闸室底板以下土层为3、4层，土层各项参数见下表1。

　　表1地质参数采用表

　　土层号 土层名称 弹模(Mpa) 泊松比 水平及竖直渗

　　透系数(m/s) 容重

　　(kN/m3) 凝聚力

　　(kPa) 内摩擦角(°)

　　3 粘土或粉质粘土 7.27 0.35 2×10-9 19.8 56 16

　　4 砂壤土 16.6 0.35 2×10-6 19.9 8 27

　　2.2.3底板内力计算

　　将底板所选取板条作为计算单元进行计算，由计算可知，边荷载使计算闸段底板内力增加，故边荷载考虑100%影响。通过计算，得出底板顶面和底面在各种工况下所受的最大弯矩。计算结果见表2。

　　表2内力计算成果表

　　水位组合 上游(kN•m) 下游(kN•m)

　　顶面 底面 顶面 底面

　　完建期 1620 465 1840 425

　　正向设计 1550 498 1710 427

　　正向校核 1580 601 2310 514

　　反向设计 1870 480 1710 723

　　反向校核 1910 510 1920 373

　　3结构设计

　　根据内力计算结果，闸室底板计算内力由跨中下游正向校核工况弯矩2310kN•m控制，先按钢筋混凝土结构构件承载能力及正常使用极限状态计算，应配置单层ϕ25@75受拉钢筋或双层φ25@150受拉钢筋。因底板较厚，面侧钢筋配置过于致密，钢筋用量太大且很难进行混凝土振捣密实，为此特引入部分预应力混凝土设计理念。设计中考虑将底板面层钢筋设置为两层;外层配置一层ϕ25@100受拉钢筋，主要为结构受力钢筋;内层配置一层预应力钢筋，主要作用为结构抗裂钢筋。

　　图2底板配筋断面图

　　3.1材料参数

　　混凝土标号为C25，计算强度选取fc=12.5N/mm2，钢筋抗拉和抗压强度fy=fy`=310N/mm2。预应力采用3股1×7-12.7-1860-GB/T5224-2003低松弛钢绞线，间距为60cm，ap=130mm，Sp=98.7mm2，fpyk=1860N/mm2，fpy=1260N/mm2，Ep=1.9×105N/mm2，锚具预应力设置采用部分预应力，张拉采用后张法，DBM13-3，钢制锥形锚，张拉控制应力为0.70fpk。普通钢筋为ϕ25@100，fy=310N/mm2，Es=2.0×105N/mm2。

　　3.2普通钢筋承载能力计算

　　按照仅布置ϕ25@100，因，所以：

　　。大于规范值0.25mm(三类环境)。

　　由计算可知承载能力极限状态能满足规范要求，但抗裂不满足规范要求。

　　3.3预应力混凝土承载能力计算

　　将所配置的钢筋转为单位宽度来计算，即Ap=28÷17×3×98.7=487.9mm2;As=4908mm2，A’s=2945mm2。

　　预应力损失计算：

　　张拉端锚具变形和钢筋内缩损失：

　　预应力钢筋的摩擦损失：

　　预应钢筋的应力松弛损失：

　　混凝土收缩和徐变损失：

　　混凝土的局部挤损失：

　　按《水工混凝土结构设计规范》8.1.6中规定，后张法预应力损失值不大于80N/mm2。混凝土受压区的高度为：

　　，

　　小于规范值0.25mm(三类环境)，满足设计要求。

　　4.结语

　　本工程已正式投入使用近两年，经受了高温与寒冬季节的考验，闸室底板未发现裂缝，证明预应力的设计是成功的。结构自收缩产生次拉应力，是引起超长结构开裂的主要原因，如能在结构中施加预压应力，将能平衡或抵消部分收缩次拉应力，达到防裂抗裂的目的。预应力混凝土抗裂性好、刚度大、节省材料、提高构件的抗剪能力、提高受压构件的稳定性、提高构件的耐疲劳性能等众多优点，必将为水利工程中一些大跨度、长高度等发挥更理要的作用。

　　参考文献：

　　[1]中华人民共和国水利部，《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96);

　　[2]中华人民共和国水利部，《水闸设计规范》(SL265-2001)。

《大跨度预应力水闸底板的设计》

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