第七节 闸室的结构计算

第七节闸室的结构计算

→分解成若干部件进行计算

一、闸墩结构计算：

1.计算模型：

(1)平面闸门的闸墩→固定于底板的悬臂梁→材料力学法

(2)弧形闸门的闸墩→一边固定、三边自由的弹性矩形板→弹性力学法

2.主要荷载及荷载组合

⑴主要荷载

结构自重；

水压力：纵向（顺水流方向），横向（垂直水流方向）；

地震惯性力；

交通桥上车辆刹车制动力

⑵荷载组合

(a)正常或非常挡水时期，闸门全关。→主要核算顺水流方向（纵向）的应力分布。

平面闸门：闸墩底部应力，门槽处应力

弧形闸门：闸墩牛腿及整个闸墩的应力

(b)正常或非常挡水时期，一孔检修，相邻孔过水。

→闸墩两侧有水头差，同时受到横向水压力和车辆刹车制动力。

→主要核算垂直水流方向（横向）应力分布

(c)正常挡水时期闸门全关，遭遇强震。→主要核算垂直水流方向（横向）的应力分布。

⒊平面闸门的闸墩的应力分析步骤

⑴计算边闸墩和中闸墩的形函数：墩底水平截面形心位置和惯性矩I x、I y，面积矩S x、S y。

图9-25 闸墩结构计算示意图

⑵计算墩底水平截面上的正应力与剪应力

①顺水流方向（纵向）：最不利情况是闸门全关挡水、闸墩承受最大上下游水位差。产生的水压力。

边闸墩或受力不对称的中墩水平截面上有扭矩作用。闸墩边缘位于x—x轴上点的最大扭剪力可近似为：

②垂直水流方向（横向）：最不利情况是一孔检修的情况，此时该孔上下游检修闸门关闭而相邻孔过水。→闸墩两侧有水头差，同时受到横向水压力和车辆刹车制动力等荷载。

⑶垂直截面上的应力计算（门槽处应力计算）

对任一垂直截面位置，在任一高程取高度为1m的闸墩作为脱离体，其顶面、底面上的正应力和剪应力分布已由⑵得出，均属已知，由静力平衡条件可求出任一垂直截面上的N、M、Q，从而可以求出该垂直截面上的平均剪应力和平均正应力。在门槽处截取脱离体（取上游段闸墩或下游段闸墩都可以），将其作为固结于门槽位置的悬臂梁，同理可求得门槽处垂直截面上的应力。

二 . 底板结构计算（开敞式闸室整体式平底板）

常用方法：倒置梁法、反力直线分布法、弹性地基梁法。

各种算法都是以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，简化为平面问题进行计算。

倒置梁法忽视了闸墩处变位不等的重要因素，误差较大，因此不宜在大、中型水闸设计中采用；

大、中型水闸，当地基为相对紧密度Dr≤0.5的砂土时，由于变形容易得到调整，可用反力直线分布法计算，当地基为粘性土或Dr>0.5的砂土时，可采用弹性地基梁法计算。

1.倒置梁法

⑴计算模型及基本假定

以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，把闸室底板作为固支于闸墩的连续梁进行计算。即把闸墩作为底板连续梁的支座。

假定：ⅰ.地基反力在顺水流方向直线分布

ⅱ.地基反力在垂直水流方向均匀分布

ⅲ.相邻闸墩间无任何相对位移

倒置梁法计算十分简便，但假定地基反力在横向为均匀分布与实际情况不符，而且支座反力与闸墩铅直荷载也不相等，故只能在小型水闸中采用。

图9-26 倒置梁法及反力直线分布法简图图9-27 分离式底板接缝型式

用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力。

②取横向单宽板条，按倒置连续梁计算内力并进行配筋。

⒉反力直线分布法

⑴计算模型及基本假定

以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，把闸墩当作底板的已知荷载进行计算。假定(a)地基反力在顺水流方向直线分布。

(b)地基反力在垂直水流方向均匀分布。

(c)把闸墩当作底板的已知荷载，闸墩对底板无约束，底板可以自由变形。

大、中型水闸，当地基为相对紧密度Dr≤0.5的砂土时，可用反力直线分布法计算。

⑵计算步骤

①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力。

②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q。

*式中假定不平衡剪力⊿Q的方向向下，如其计算结果为负值，说明⊿Q的实际方向向上。

③对不平衡剪力进行分配。不平衡剪力⊿Q应由闸墩和底板共同承担。

，b=1m，对既定截面，Q/I是常数，τ与S（y′）成正比，设闸墩和底板对应的S（y′）的面积分别为A1和A2，则闸墩和底板分担的不平衡剪力分别为：

⊿Q1还要由中墩和缝墩按厚度再进行分配，两者分配的⊿Q1′和⊿Q1″分别为：

④计算作用在底板上的荷载

分配给闸墩的不平衡剪力连同包括上部结构的闸墩重力可示为集中力作用在梁上，将分配给底板的不平衡剪力转化为均布荷载，则作用在底板梁上的均布荷载为：

均布荷载q=q3+地基反力q4-水重q2′-q1-⊿Q2/2L′。

⑤计算底板内力并进行配筋。

⒊弹性地基梁法

⑴计算模型及基本假定

以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象，按平面应变的弹性地基梁，利用静力平衡条件及底板与地基的变形协调条件，计算地基反力和底板内力。

假定(a)地基反力在顺水流方向直线分布。

(b)地基反力在垂直水流方向呈弹性（曲线）分布，为待求未知数。

(c)把闸墩当作底板的已知荷载，闸墩对底板无约束，底板可以自由变形。

当地基为粘性土或Dr>0.5的砂土时，可采用弹性地基梁法计算。

图9-28 闸底板结构计算图

⑵计算步骤

①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力。

②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q。与反力直线分布法中相同。

③对不平衡剪力进行分配。不平衡剪力⊿Q应由闸墩和底板共同承担。与反力直线分布法中相同。

④计算作用在底板(弹性基础梁)上的荷载