水利工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析
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【摘要】本文依托“中部移民”的工程實例，就工程特點，結(jié)構(gòu)設(shè)計思路、主要節(jié)點設(shè)計等方面進行介紹，形成操作性強的設(shè)計概要。中部移民閘室工程區(qū)域跨度大，精度要求高，建筑風格雖然統(tǒng)一，卻使用功能不盡相同。因此在閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要和諸多專業(yè)配合進行綜合分析，可謂是“麻雀雖小五臟俱全”。結(jié)構(gòu)專業(yè)作為整個施工圖設(shè)計周期的末端專業(yè)，應從每個閘室的建設(shè)地點、渠道水流方向、門槽中心線定位、啟閉機的類型、建筑立面等多角度考慮。通過一閘一設(shè)計，實現(xiàn)水利工程建筑的精準、美觀、實用。
【關(guān)鍵詞】地震加速度值；閘室定位；起吊孔；樓面活載
甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程位于白銀市靖遠縣北部及平川區(qū)境內(nèi)，工程任務(wù)以高效農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧農(nóng)村人飲供水，為區(qū)域鞏固脫貧攻堅成果和扶貧產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供水資源支撐和保障，為區(qū)域易地搬遷安置和生態(tài)環(huán)境修復創(chuàng)造條件。本工程初步確定的建設(shè)內(nèi)容包括總干渠1條，長28.684km；干渠3條，長108.426km；分干渠4條，長43.318km；支干渠1條（現(xiàn)狀利用），長5.4km；支渠（分支）29條，總長126.571km。在渠道的新建、改造過程中需設(shè)置尺寸不同、功能各異的閘室約50多座，肩負著百余孔閘門的起落，在運行期為開展節(jié)水型社會的建設(shè)發(fā)揮不可替代作用。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要和地勘、金結(jié)、建筑、水工等專業(yè)反復溝通，完善節(jié)點設(shè)計。下面將閘室上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中需要控制的關(guān)鍵點進行概述，并對提出相應的解決方案。
1核查閘室的建設(shè)地點，確定計算參數(shù)
本工程供水范圍為白銀市的靖遠縣5鄉(xiāng)鎮(zhèn)和平川區(qū)5鄉(xiāng)鎮(zhèn)約99個村。工程區(qū)分布在隴西黃土高原的北部，總體屬基巖低中山區(qū)和黃土低中山梁峁區(qū)。供水工程線路長，跨越了不同的地震帶，雖然每個閘室體型相似，但坐落于不同的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，抗震參數(shù)就不一定相同。經(jīng)過查閱《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015，白銀市境內(nèi)各地的抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震加速度值不盡相同，最終會影響建筑結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)的選用。不僅如此，也會遇到個別項目由于建設(shè)地點更改，建筑物的基本風壓和基本雪壓的取值也要做相應調(diào)整。因此在閘室的結(jié)構(gòu)設(shè)計前，首先應核查每個閘室的建設(shè)地點，采用準確的抗震計算參數(shù)及抗震設(shè)防措施。通過合理的結(jié)構(gòu)計算，每個閘室的設(shè)計成果才是既安全可靠，又經(jīng)濟環(huán)保。雖然閘墩的設(shè)計和地基處理方案由水工專業(yè)負責，但是遇到下部為多個獨立閘墩上部為連體閘室的建筑物，結(jié)構(gòu)專業(yè)應對特殊情況特殊對待。首先根據(jù)地質(zhì)情況判斷連體閘室是否適合整體計算：（1）若閘墩持力層為不發(fā)生沉降、液化的穩(wěn)定地層，如基巖、沖洪積砂礫石，連體閘室可進行整體建模計算；（2）若閘墩下伏土層中夾粉土和砂礫石透鏡體或著為輕微濕陷性黃土，在閘墩地基按照地基處理規(guī)范進行地基處理，且建設(shè)場地加強了地表排水措施的前提下，連體閘室仍然可以進行整體建模計算；（3）若閘墩位于大厚度濕陷性黃土地區(qū)，連體閘室就得考慮設(shè)沉降縫進行分段建模計算。因為在黃土高原地區(qū)濕陷性土層大多超過20m，地基處理厚度無法完全消除剩余濕陷量，通過相應的地基處理措施（如復合地基、增設(shè)土工格柵等）閘墩不會發(fā)生嚴重的沉降破壞，但是如果上部連體閘室為整體結(jié)構(gòu)，輕微地基沉降都可能發(fā)生嚴重的拉裂破壞。因此結(jié)構(gòu)專業(yè)應根據(jù)地質(zhì)斷面核查閘墩的地基處理方式能否完全消除剩余濕陷量，再確定結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案。
2區(qū)分啟閉機類型，初步設(shè)定閘室的平面尺寸
中部移民工程的閘室內(nèi)設(shè)3種啟閉機，分別為臺車、固卷、螺桿啟閉機。每種啟閉機的運行特點各不相同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計前考慮的關(guān)鍵點也存在著區(qū)別，例如金結(jié)專業(yè)若采用臺車，結(jié)構(gòu)專業(yè)應沿著臺車的運行軌跡準確布置移動荷載；金結(jié)專業(yè)采用固卷啟閉機，結(jié)構(gòu)專業(yè)應根據(jù)預埋件的位置合理布置主次梁位置,并根據(jù)啟閉機重量在屋面梁上設(shè)置吊環(huán)；金結(jié)專業(yè)若采用螺桿啟閉機，結(jié)構(gòu)專業(yè)應分析各種定位線的相對關(guān)系，準確布置起吊孔在樓面板和屋面板的位置。中部移民工程采用螺桿啟閉機的閘室較多，本文針對此種情況對某閘室進行分析。根據(jù)金結(jié)專業(yè)提供的互提資料（附圖1）提取有用信息，并對關(guān)鍵節(jié)點提出建議：（1）渠道水流方向為從左向右，閘門的起吊中心線在門槽中心線的上游側(cè)，并且有一定的間距；（2）渠道中心線和孔口中心線重合；閘門起吊點和起吊孔的中心重合。起吊孔的中心在起吊中心線上，扁寬梁的中線為起吊中心線。閘門起吊點距孔口中心線距離相等。（3）設(shè)備層需預留起吊孔，屋面板需預留螺桿出屋面的孔，混凝土澆筑時可預埋內(nèi)直徑180mm的套管。（4）起吊孔宜布置在扁寬梁上，扁寬梁跨度方向應順著預埋鋼板的長向布置。扁寬梁的寬度、高度應根據(jù)預埋鋼板的平面尺寸、厚度、錨筋根數(shù)和間距等構(gòu)造要求確定，可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015版）GB50010-2010第9.7條要求設(shè)計。（5）根據(jù)圖中標注的吊點距墻邊最小距離≥950mm，可初步設(shè)定閘室的最小平面尺寸。最終平面尺寸由建筑專業(yè)根據(jù)相關(guān)規(guī)定及實際情況確定。（6）因為設(shè)備運輸和安裝具有不確定性，建議設(shè)備層樓面、懸挑走道板的活荷載標準值取5KN/m2。施工圖中應注明：設(shè)備安裝時，應盡可能置設(shè)備于就位附近的梁上，嚴禁將設(shè)備置于懸挑板上。（7）啟閉機檢修時，必須在樓板上鋪墊枕木，不得直接將設(shè)備坐落于混凝土樓板上，防止設(shè)備對樓板的沖撞。
3滿足建筑平、立面要求，確定結(jié)構(gòu)方案
經(jīng)過建筑專業(yè)對閘室的平、立面細化設(shè)計，可基本確定閘室的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。（1）閘室的安全運行關(guān)系著渠道灌溉，且設(shè)備層下部的閘門檢修區(qū)域不得遮擋，因此宜采用抗震性能較好的框架結(jié)構(gòu)；（2）結(jié)構(gòu)專業(yè)核算啟閉機下的扁梁高度，且梁下凈尺寸應滿足金結(jié)專業(yè)要求，最終由建筑專業(yè)確定閘室層高。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置應盡可能滿足建筑立面的要求，宜突出施工便捷、美觀實用、節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念，例如立面的縱橫線條多數(shù)是由梁、柱突出墻面實現(xiàn)的。若經(jīng)過計算必需增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，應及時反饋給建筑專業(yè)調(diào)整方案，修改立面線條寬度。（4）通過建筑平面確定閘室鋼梯的起步位置，結(jié)構(gòu)專業(yè)應設(shè)置獨立的鋼梯基礎(chǔ)或在閘墩上設(shè)懸挑梁作為鋼梯基礎(chǔ)，避免地基發(fā)生不均勻沉降而導致鋼梯失穩(wěn)。鋼梯基礎(chǔ)的平面布置應考慮鋼梯預埋件的尺寸和位置。具體尺寸與建筑專業(yè)所選的鋼梯型號、角度有關(guān)，可參照《15J401》設(shè)計。
4核對閘室與閘墩的相對位置，精準定位
在閘室設(shè)計過程中，閘室的定位至關(guān)重要。如果閘室與閘墩定位錯誤會導致啟閉機無法正常起吊，造成嚴重的質(zhì)量事故。各專業(yè)在各自施工圖中都有自己定位線且標注重點不同（附圖1、附圖2），結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須核對各專業(yè)定位線是否統(tǒng)一。以下幾點應仔細確認：（1）各專業(yè)必須在施工圖中明確渠道的水流方向，否則會導致施工圖表達模糊發(fā)生歧義，造成施工錯誤；（2）各專業(yè)在施工圖上標注的渠道中心線、門槽中心線至閘墩上游樁號的相對距離必須一致，否則會導致上部結(jié)構(gòu)和閘墩錯位，造成啟閉機無法正常運行；（3）起吊中心線一定在門槽中心線的上游側(cè)，在布置起吊孔和扁寬梁時要再次核對；（4）若閘室的建筑軸線超出閘墩邊線，說明閘墩平面尺寸不滿足閘室框架柱的嵌固、錨固要求。結(jié)構(gòu)專業(yè)應及時向水工專業(yè)提供框架柱的相對位置及框架柱的縱向鋼筋直徑，要求水工專業(yè)采取措施。通過設(shè)計中部移民項目的閘室，水工專業(yè)采取了在閘墩邊局部增設(shè)設(shè)牛腿的方法，有效解決了閘室框架柱的嵌固、錨固問題。牛腿高度設(shè)置需滿足閘室框架柱縱向鋼筋錨固的直段要求，柱縱向鋼筋伸入基礎(chǔ)直段≥0.6labE且≥20d，可參照圖集《16G101-3》第65頁設(shè)計。
5結(jié)語
本工程旨在發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。渠道設(shè)計時每段的流量控制需因地制宜，閘室的規(guī)模也不能生搬硬套，閘室雖小，卻是灌區(qū)大動脈上重要節(jié)點。設(shè)計人員應端正工作態(tài)度，在設(shè)計過程中秉承工匠精神從多角度考慮，一絲不茍的對相關(guān)設(shè)計信息精準分析。參與項目的各專業(yè)設(shè)計人員要反復溝通精確調(diào)整，做到既不冒險設(shè)計，也不過渡設(shè)計。本文所述的閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計概要對水利工程的一般閘室具有建設(shè)性意見，可從技術(shù)角度保障工程質(zhì)量，提高設(shè)計精度，節(jié)約施工成本。近幾年，國家要求高質(zhì)量發(fā)展水利工程，美麗鄉(xiāng)村的生態(tài)建設(shè)理念也深得民心。傳統(tǒng)的閘室和水利建筑造型已無法與高質(zhì)量的現(xiàn)代化水利工程相匹配。我們今后的水利建筑設(shè)計要響應鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略，給水利配套建筑賦予或古典秀麗或現(xiàn)代剛毅的性格，把“嚴謹、求實、團結(jié)、奮進”的水利精神通過一條條輸水干線傳遞到中華大地的每個角落。
作者:王福鵬 單位:甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司