謝 桃，肖開學(xué)，肖玉會(huì)

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

PKPM在劉家拱橋水庫啟閉排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

謝 桃，肖開學(xué)，肖玉會(huì)

(四川省清源工程咨詢有限公司，成都，610072)

以劉家拱橋水庫溢洪道排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，從模型建立、荷載輸入、參數(shù)輸入、結(jié)構(gòu)計(jì)算等幾方面初步探討PKPM軟件在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)規(guī)范要求，其配筋計(jì)算是安全可行的，且具有高效性及合理性。

PKPM軟件 排架結(jié)構(gòu) 劉家拱橋水庫

1 工程概況

劉家拱橋水庫位于四川省達(dá)州市渠縣境內(nèi)，水庫樞紐距渠縣縣城約26km。該工程是以灌溉、人畜飲水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活用水為主，兼顧發(fā)電及渠縣城市應(yīng)急備用水源等綜合效益的骨干水利樞紐工程。

水庫正常蓄水位488.00m，大壩為混凝土面板堆石壩，壩長236.00m，最大壩高76.60m。水庫總庫容1497萬m3，正常水位庫容1389萬m3，調(diào)節(jié)庫容1180萬m3，電站裝機(jī)容量2400kW，該工程為Ⅲ等工程。水庫樞紐主要建筑物包括右岸取水隧洞、混凝土面板堆石壩、右岸表孔溢洪道和左岸泄洪放空洞等。

溢洪道布置在右壩肩，由進(jìn)口引渠段、閘室段、泄槽段、挑坎段及下游河道岸坡防護(hù)組成，全長305.05m。閘室段全長32.25m，采用單孔駝峰堰型，閘室內(nèi)設(shè)12m×8m的平板工作門及12m×10.5m的平板檢修鋼閘門。劉家拱橋溢洪道布置如圖1、圖2所示。

圖1 劉家拱橋溢洪道平面布置

圖2 劉家拱橋溢洪道剖面

溢洪道閘室檢修門采用臺(tái)車啟閉，檢修門啟閉排架分為兩跨，閘室段與儲(chǔ)門槽段，排架高13.5m，最大跨度16.20m，排架頂部臺(tái)車單個(gè)滑輪最大輪壓荷載215kN。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架結(jié)構(gòu)布置如圖3、圖4所示。

圖3 溢洪道檢修閘排架平面布置

圖4 溢洪道檢修閘排架剖面

2 PKPM軟件設(shè)計(jì)流程

劉家拱橋水庫溢洪道檢修門啟閉排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要采用PKPM軟件中PMCAD、SATWE、墻梁柱施工圖三大模塊。PMCAD用于空間三維模型的建立和荷載輸入，為前處理模塊；SATWE讀取PMCAD生成的幾何數(shù)據(jù)及荷載數(shù)據(jù)，采用空間有限元分析計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的內(nèi)力、位移等。SATWE是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊的核心部分，墻梁柱施工圖模塊則是根據(jù)SATWE的計(jì)算成果，自動(dòng)選配鋼筋并繪制施工圖，該模塊為后處理模塊。

PKPM軟件的設(shè)計(jì)流程為：①設(shè)計(jì)者首先根據(jù)實(shí)際工程及自身經(jīng)驗(yàn)初擬結(jié)構(gòu)體型、構(gòu)件尺寸，通過PMCAD模塊建立模型，添加荷載；②運(yùn)行SATWE模塊讀取PMCAD生成數(shù)據(jù)，并設(shè)置計(jì)算參數(shù)，然后進(jìn)行內(nèi)力、配筋計(jì)算；③分析計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，返回到PMCAD模塊中調(diào)整模型體型及尺寸；④重復(fù)步驟②、③。如此反復(fù)修正、調(diào)整以形成最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；⑤運(yùn)行墻梁柱施工圖模塊繪制施工圖。

3 PKPM在劉家拱橋水庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 模型建立及應(yīng)注意的問題

3.1.1 模型建立

受到啟閉臺(tái)車軌道間距的限制，同時(shí)考慮到起吊荷載大、跨度大以及結(jié)構(gòu)受力條件的合理性，將排架柱與臺(tái)車軌道梁形成框架(垂直于水流向)；由于臺(tái)車在啟閉平臺(tái)上移動(dòng)，故排架中柱間不能設(shè)置框架梁，使得整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有所削弱。故運(yùn)用PKPM軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次建模計(jì)算，擬定最為安全可靠的排架結(jié)構(gòu)。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架高13.5m，分為兩跨，閘室段與儲(chǔ)門槽段，閘室段跨度15.0m，儲(chǔ)門槽段跨度16.2m，啟閉機(jī)房位于儲(chǔ)門槽段平臺(tái)上。排架設(shè)置為3層，層高4.5m。模型如圖5所示。

圖5 啟閉排架模型

3.1.2 應(yīng)注意的問題

在建模的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，劉家拱橋水庫溢洪道檢修閘排架結(jié)構(gòu)存在有以下幾個(gè)問題需要注意：

3.1.2.1 避免多余節(jié)點(diǎn)。建模時(shí)，構(gòu)件中的多余節(jié)點(diǎn)會(huì)打斷構(gòu)件，增加網(wǎng)格和構(gòu)件的數(shù)量，引起荷載的拆分。在該模型的建立過程中，由于多次調(diào)整結(jié)構(gòu)，筆者未及時(shí)刪除多余節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致在計(jì)算過程中多次出錯(cuò)，在修正、糾錯(cuò)再修正的過程中浪費(fèi)了大量寶貴時(shí)間。因此，在建模過程中應(yīng)避免多余節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)多余節(jié)點(diǎn)應(yīng)及時(shí)刪除。

3.1.2.2 臺(tái)車軌道梁截面尺寸的輸入。為方便臺(tái)車軌道安裝，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)安裝要求，需在軌道梁頂部預(yù)留35cm的二期混凝土高度，經(jīng)模型反復(fù)修正驗(yàn)算，擬定該啟閉排架軌道梁的截面尺寸為80cm×195cm。即軌道梁一期混凝土高度為160cm，二期混凝土高度為35cm。但PKPM的參數(shù)中沒有對混凝土作區(qū)分，若構(gòu)件尺寸仍以80cm×195cm的截面尺寸輸入，將與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況不符，且趨于不利，因此需作手動(dòng)修改。處理方式為：軌道梁以80cm×160cm的截面尺寸輸入，將35cm厚的混凝土重作為恒載施加在軌道梁上。

3.1.2.3 虛梁的設(shè)置。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，啟閉平臺(tái)上的啟閉機(jī)房布置于儲(chǔ)門槽段，故閘室段平臺(tái)底部不需要設(shè)置邊梁，這就使得在建模過程中，閘室段平臺(tái)不封閉，不能形成平臺(tái)板。此處的處理方式為：在布置邊梁的位置設(shè)置虛梁，PKPM默認(rèn)截面尺寸為100mm×100mm的梁為虛梁，虛梁在結(jié)構(gòu)中不存在，其特點(diǎn)是無剛度、無自重，并不參與結(jié)構(gòu)計(jì)算，只是作為模型的輔助結(jié)構(gòu)存在，不影響實(shí)際結(jié)構(gòu)。

3.1.2.4 次梁的添加。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架中排架柱最大間距16.2m，屬大跨度結(jié)構(gòu)，且啟閉機(jī)房位于該跨，同時(shí)作用于該跨的設(shè)備荷載較大。經(jīng)計(jì)算分析可知，該跨跨中及支座端內(nèi)力較大，故在該跨中部添加交叉次梁，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力條件。經(jīng)反復(fù)修正驗(yàn)算，最終在該跨中部對稱添加兩根交叉次梁(如圖2所示)。

3.2 荷載輸入

3.2.1 樓面荷載

啟閉機(jī)平臺(tái)樓面荷載為均布恒荷載，由于PKPM梁、板、柱的自重均在程序中自動(dòng)加載，故啟閉機(jī)平臺(tái)樓面均布恒荷載取1.5kN/m2，活載取2.0kN/m2。

3.2.2 臺(tái)車荷載

該啟閉設(shè)備為雙吊點(diǎn)臺(tái)車式啟閉機(jī)，擁有8個(gè)滑輪，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)8個(gè)滑輪均運(yùn)行至儲(chǔ)門槽跨段(最大跨16.2m)時(shí)，該位置荷載為最不利荷載。臺(tái)車最大輪壓按機(jī)電設(shè)備廠家提供的最大輪壓取215kN，為集中荷載。由此可見，臺(tái)車荷載為計(jì)算中的控制性荷載。對荷載最不利位置的確定，應(yīng)通過理論分析及多次試算確定。

3.3 參數(shù)設(shè)置

PKPM采用的規(guī)范為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，多用于建筑行業(yè)，因此計(jì)算參數(shù)應(yīng)予以修正，以滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的參數(shù)要求。兩者在PKPM中最主要的差異，為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)與可變荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值有所不同?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中無結(jié)構(gòu)系數(shù)γd，而《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中γd的取值為1.2，所以在計(jì)算輸入每項(xiàng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)時(shí)，必須乘以結(jié)構(gòu)系數(shù)γd。因此PKPM中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)與可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)分別調(diào)整為1.26和1.44。本次劉家拱橋水庫溢洪道檢修閘排架結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SATWE軟件，其主要計(jì)算參數(shù)取值見表1所示。

表1 SATWE主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

4 計(jì)算結(jié)果

由于本結(jié)構(gòu)跨度大，且局部集中荷載很大，在計(jì)算過程中，筆者初擬的排架結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過多次修正調(diào)整，最終得到體型、尺寸、配筋的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，且各框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力、裂縫開度、軸壓比、配筋率等均滿足規(guī)范要求。劉家拱橋溢洪道檢修閘排架結(jié)構(gòu)，最大跨框架梁、柱配筋結(jié)果如表2所示。

表2 最大跨框架梁、柱計(jì)算成果

5 結(jié)語

無論是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過程通常都是一個(gè)反復(fù)修正調(diào)整的過程，最終才能得到一個(gè)最優(yōu)化的體型，利用PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也同樣如此。設(shè)計(jì)者需要從本質(zhì)上理解構(gòu)筑物的體型特點(diǎn)、受力情況，從而靈活巧妙地建立模型。同時(shí)，將建筑行業(yè)通用的PKPM軟件引入水工建筑物設(shè)計(jì)，更需要設(shè)計(jì)者理解PKPM軟件采用的設(shè)計(jì)規(guī)范，清楚該規(guī)范與水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的異同，修正相關(guān)參數(shù)，從而更好的運(yùn)用于水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，采用PKPM軟件進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更是大大提高了設(shè)計(jì)效率，尤其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，為設(shè)計(jì)人員提供了便利。

〔1〕中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.PKPM用戶手冊[Z]，2001.

〔2〕GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔3〕GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

〔4〕DL/T5057-2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2009.

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