分析水电站溢流坝启闭排架计算方法

     摘要 本文主要介绍了水电站的工程概况，通过合理方法简化启闭排架的计算模型，采用PKPM软件进行内力及配筋的计算，详细说明软件中存在的主要问题对该问题的解决提出可行性方案与措施。

1 工程情况概述

　　水电站位于江的上游支流河上，大坝的地址位于原来电站旧坝下游1 540m的位置，坝址控制集雨面积为185km2，拦河坝采用浆砌石重力坝，因为左右两岸非溢流坝段和河床中间溢流坝段组成，其中溢流坝段长39m、非溢流坝段长82.25m。 

　　溢流坝段要布置共3个孔为溢流闸孔，闸孔净宽10m，采用平面钢闸门挡水。每扇门各设立一台QPQ2×250kN固定式启闭机进行启闭控制，启闭平台分成3跨，每跨两端以简支形式搁在启闭排架上。启闭排架采用双层钢筋的钢架结构，净高8m，跨长3.2m，基础固结在闸墩上。排架柱尺长×宽=600mm×600mm，横梁尺寸高×宽=600mm×500mm。 

　　2 假设计算的条件 

　　启闭排架梁、柱长细比均1/h大于5，在计算简图中采用梁、柱轴线代替梁柱杆件。横梁支座截面和跨中截面的高度比hc/h小于1.6，不考虑横梁支托的影响，衡量按等截面钢架简化计算。 

　　启闭排架同时受到横纵两个方向的荷载作用，实际上构成空间受力，结构的刚度在两个方向上不同，同时考虑到结构的空间作用计算比较复杂，所以将横纵两个方向的受力分开简化计算。横相按照平面框架计算，纵向按照一般偏心受压柱计算，这里不作为详细的讲解和介绍。 

　　3 计算工程情况的组合

　　3.1 横向荷载组合 

　　在横向荷载计算的时候，风压力分为两种情况考虑，一种是闸门全部开启，工作桥上无人群荷载，除排架和工作桥受到风压力以外，高悬的闸门上所受到的风压力通过门槽或活动门挡传给排架；另一种是闸门刚开启的时候，仅排架和工作桥承受风荷载，前者属于对排架受力不利的情况。

　3.2 纵向荷载组合 

　　按照以下两种情况考虑：第一，由于相邻两孔闸门同时启闭，左右两跨工作桥传来的支座压力相等，此时排架的柱轴方向受力大；第二，左右两跨传来的压力不相等，不利荷载组合，一个孔刚刚开启的时候该跨的工作桥传来的荷载大，另一个孔闸门关闭，启门力是零，工作桥荷载小这样的情况下偏心荷载大。在施工过程中排架两侧荷载不对称，也会有偏心荷载产生，计算时候要进行对应的验算。

　　4 横向排架的计算 

　　由于水利水电工程相对比较复杂和特殊，水工结构设计手段相对落后，严重制约了设计的精确性和效率性，这样很难适应现在高速、高效的工程要求。启闭排架计算的工况组合多种多样，计算的部位繁多、计算过程很复杂，非常不利于修改，设计技术人员工作非常繁重。

　　PKPM软件是中国科学院结构研究所专门为建筑设计，结构计算等研制开发的专业性软件。在混凝土结构的配筋上有很多独特的优越性和方便性，虽然它采用的规范本身与《水工混凝土结构设计规范》存在一定的差异，双方行业所采用的计算方式中取的系数类别或系数值不同，但其计算理论的核心一致，可以通过设计人员在计算操作过程中修正和加以利用。

　　PKPM混凝土结构配筋计算的依据是《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89），而水工混凝土结构配筋计算的依据是《水工混凝土结构设计规范》（DL1997-58），两种规范都是采用以概率论的理论为基础的极限状态设计法，以可靠的指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计。 

　　PKPM计算过程：建模-结构计算-结构图绘制-编辑成图。启闭排架计算可由PKPM中的PK平面框架模块完成绘图。本次选择中间排架作为计算对象，选取闸门全开受风压力，工作桥上无人群荷载作为计算工况，以验证PKPM的计算设计效果。

　　建模的工作主要内容包括：轴线输入、构件定义、荷载定义。1）规则框架建模可以直接通过“快速建模”工具条输入跨度和层高，多层多跨的时候可以重复累计输入。轴线输入的时候注意小间距的要求大于150mm，否则可能会引起后面复杂计算出错，导致不能计算，因此中心距小于150mm的构件不能同时都输入轴线，只能输入其中一个构件，另一个通过偏心输入或者都通过偏心输入；2）构件定义包括截面定义和布置，注意排架柱布置时默认中心线重合轴线，梁布置的时候则会以顶部边线重合轴线；3）荷载定义建议采用手工输入，这样不容易出现错误。将上部启闭平台传下来的荷载按活荷载及恒荷载分开输入，风荷载转化为节点荷载进行输入。 

　5 计算结果核对与校对 

　软件出错的概率比较高，算出的结果不能直接采用，要经过设计人员的定性与定量的核准，及时发现错误进行纠正。首先对计算的简图和几何尺寸、荷载位置等计算条件进行核对，其次对内力图进行核对，内力图是结构设计的基础，也是后面进行配筋的主要依据，更是判断结构布置是否合理，截面尺寸拟定是否满足要求的直观的方法。我们采用结构力学平衡条件进行核准，用基础的节点平衡法、截面法，校准时应该忽略次要的受力荷载。从内力计算结果上看，内力图形要符合力学规律、数值要满足平衡条件。 

　 6 配筋结果的修正 

 　PKPM软件计算出的内力比较准确不用调整，但是算出的配筋量往往达不到实际配筋的需求量，必须乘以一个放大系数β进行修正，取值一般按照经验为1.01~1.10。因为混凝土设计强度fcm和截面计算有效高度在软件中与水工规范有出入，而且是固定值无法调整。另外边柱及角柱受偏心及作用较大而且是空间受力，采用平面假定将横纵方向分开计算偏于危险应该按照经验对配筋进行放大，边柱乘以放大系数1.1，角柱乘以放大系数1.2。

　　综上所述，启闭排水架是水工钢筋砼结构，工况组合及计算过程比较复杂。怎么样对计算模型进行合理的简化，选用高效软件成为行业共识。PKPM软件给计算排架内力和配筋方面带来高效性，同时我们要注意差异点，PKPM软件不是根据水工规范而是根据工民建规范编制的，设计人员必须在设计中注意一些软件操作上和输入参数处理技巧，一定要对计算结果进行合理修正。 

　　参考文献

　[1]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.PKPM用户手册，2001.

　[2]张世儒，夏维城.水闸[S].北京：水利电力出版社，1987.

                 源:https://www.xzbu.com/8/view-8811064.htm