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摘 要： 在本案，通过实例分析，研究应力配筋法在水利工程中的应用。在两种工况下，分析有限元软件对闸室的应力，并且通过计算最不利工况对闸墩的应力配筋。工程实例计算结果显示，有限元分析对闸室应力分布情况的反映相当直观，且应力配筋的计算过程简单，计算结果明确。
关键词： 应力配筋法；水利工程；应用
0 前言
现代化水利工程对非杆非壳且体积巨大的砼结构的应用较为普遍，但是，这些砼结构存在形状、受力均很复杂的特征，以至于不能通过常规结构力学手段分析和计算砼结构的受力。随着技术的发展，应力配筋法应运而生，应力配筋法在计算形状和受力均很复杂的砼结构受力方面意义重大。SL191-2008《水工砼结构设计规范》提出了弹性应力配筋法的计算思路，并对应力配筋法进行了原则性的说明。在本案，通过对工程实例的分析，并采取有限元软件对闸室两种工况的应力情况进行模拟计算，再以有限元计算出的应力为依据，计算闸墩配筋。
1 倒虹吸出口闸闸墩有限元分析
1）工程简介。
本案选取的工程构造主要包括出口渐变段、出口控制段、管身段、进口检修闸、进口渐变段，各组成部分的规格大小为：
出口控制闸底板高程——98.421米；正常运行的情况下，出口控制闸水位——105.421米；闸室——23米；闸室包括两联，一联两孔，共四孔，单孔宽——6.5米；墩墙和闸室底板浇筑材料为C25砼，浇筑方法为整体式。
将弧形钢闸门设置在闸室前方，弧形闸门半径——11米；弧形闸门侧轨中心线半径——10.94米；门槽宽——0.9米；门槽深度——0.3米。下图为渠道出口控制闸结构尺寸设计图：
2）现在就渠道完建期后的工况做出相应的分析，并以工程的实况及不利工况为依据，选取两种具备代表性的工况，如下表所示：
3）计算模型。
现针对闸墩配筋情况做出相应研究，据工程实际情况，其闸墩包括边墩、中墩、缝墩三种形式。渠道门槽处的受力特征为：边墩迎水面门槽长期处于受力状态，而且中墩门槽、缝墩两处的受力情况不乐观，针对这样的情况，下列受力分析就专门针对边墩、中墩的受力情况。在模型构建时，有必要简化模型结构，模型对边墩以及中墩的受力情况应该着重强调。针对模型结构的对称型，笔者选取有限元分析法计算左联闸室受力情况。
渠道闸室的砼结构都被设定单元离散，在划分闸室网格时，必须控制好砼结构厚度方向单元的边长（不得超过0.5米）。针对闸墩和底板连接缝做出相应的网格加密，以确保砼结构单元格属于六面体单位，并简化闸墩弧形部位。模型单元数被设定为92735，其坐标原点处在底板与边墩进口处坡线的交接点，x轴与水流方向垂直，y轴与竖直方向平行，z轴与水流方向平行。下图为有限元模型图：
通过对工况一、二应力云图分析可得，在缝墩迎水面弧形门槽部位都有最大拉应力的出现，但是工况一、二缝墩受到的整体应力大小以及受力分布较接近，只是工况二中中墩出现显著的不利应力状态。工况一、二在y方向的应力云图主拉应力值最大可达2.41MPa，y方向拉应力最大值为2.35MPa，该值比C25砼轴心抗拉力强度设计值更大，超过了1.27MPa。在底板与缝墩弧形门槽连接处单元格上出现了拉应力的最大值，而且应力值出现较大的变化，与该单元格相比较，四周单元格应力值略小，这种现象出现的原因在于有限元软件自身限制。
2 闸墩应力配筋
2.1 应力配筋原理
《水工砼结构设计规范》规定：通过计算弹性阶段闸墩结构的截面应力图形，并结合弹性主拉应力图形，对闸墩进行配筋，具体的操作原理为：
1）如果应力图形呈线性分布，应力可转换为内力，并参照普通壳系、杆系结构计算方式进行配筋计算；
2）如果应力与线性区别较大，或者完全不属于线性，可以以主拉应力在配筋方向投影图形的总面积为依据，对钢筋截面积As进行计算，但是，As必须符合下列方程式的要求：
针对三维坐标结构的复杂度，其截面各点主拉力方向存在不一致性，所以，在渠道实际配筋中，如果要顺着主拉应力方向进行钢筋布置，其难度很大，通常情况下，采取x轴、y轴、z轴三方向代替应力的配筋，属于正应力配筋。
2.2 计算闸墩应力配筋
以本案对有限元应力计算分析为依据，现将工况二作为研究对象，计算其应力配筋情况，并针对中墩墩位、中墩门槽、缝墩墩位、缝墩门槽四处拉应力最大断面，并对该断面应力值进行计算分析，下图为缝墩墩位、中墩墩位最大拉应力截面节点应力计算结果如下图所示：
3 总结
通过上文对有限单元法的分析可得，在计算非杆非壳大面积砼结构时，有限单元法能够很好地对砼结构的整体性进行反映，而且有限元分析法计算出的结果对大面积砼结构的应力分布非常直观，所以，应力配筋法在计算形状、受力均很复杂的水利工程方面是可行的，与此同时，应力配筋法也为水利工程提出新的设计思路。
参考文献：
[1]白峻昶、马福、靳金平等，非杆非壳大体积混凝土结构应力配筋法浅析[J].科技情报开发与经济，2010，20（34）：191-192.
[2]胡海忠，应力配筋方法浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2012（11）.
[3]徐栋、孙远，体外预应力锚固横梁拉应力域法配筋[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38（7）：961-968.DOI：10.3969/j.issn.0253-374x.2010.07.004.
[4]方志、伍琼芳、曹国辉等，配筋混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆分析[J].铁道学报，2012，34（8）：87-93.DOI：10.3969/j.issn.1001-8360.2012.08.014.
关键词： 应力配筋法；水利工程；应用
0 前言
现代化水利工程对非杆非壳且体积巨大的砼结构的应用较为普遍，但是，这些砼结构存在形状、受力均很复杂的特征，以至于不能通过常规结构力学手段分析和计算砼结构的受力。随着技术的发展，应力配筋法应运而生，应力配筋法在计算形状和受力均很复杂的砼结构受力方面意义重大。SL191-2008《水工砼结构设计规范》提出了弹性应力配筋法的计算思路，并对应力配筋法进行了原则性的说明。在本案，通过对工程实例的分析，并采取有限元软件对闸室两种工况的应力情况进行模拟计算，再以有限元计算出的应力为依据，计算闸墩配筋。
1 倒虹吸出口闸闸墩有限元分析
1）工程简介。
本案选取的工程构造主要包括出口渐变段、出口控制段、管身段、进口检修闸、进口渐变段，各组成部分的规格大小为：
出口控制闸底板高程——98.421米；正常运行的情况下，出口控制闸水位——105.421米；闸室——23米；闸室包括两联，一联两孔，共四孔，单孔宽——6.5米；墩墙和闸室底板浇筑材料为C25砼，浇筑方法为整体式。
将弧形钢闸门设置在闸室前方，弧形闸门半径——11米；弧形闸门侧轨中心线半径——10.94米；门槽宽——0.9米；门槽深度——0.3米。下图为渠道出口控制闸结构尺寸设计图：
2）现在就渠道完建期后的工况做出相应的分析，并以工程的实况及不利工况为依据，选取两种具备代表性的工况，如下表所示：
3）计算模型。
现针对闸墩配筋情况做出相应研究，据工程实际情况，其闸墩包括边墩、中墩、缝墩三种形式。渠道门槽处的受力特征为：边墩迎水面门槽长期处于受力状态，而且中墩门槽、缝墩两处的受力情况不乐观，针对这样的情况，下列受力分析就专门针对边墩、中墩的受力情况。在模型构建时，有必要简化模型结构，模型对边墩以及中墩的受力情况应该着重强调。针对模型结构的对称型，笔者选取有限元分析法计算左联闸室受力情况。
渠道闸室的砼结构都被设定单元离散，在划分闸室网格时，必须控制好砼结构厚度方向单元的边长（不得超过0.5米）。针对闸墩和底板连接缝做出相应的网格加密，以确保砼结构单元格属于六面体单位，并简化闸墩弧形部位。模型单元数被设定为92735，其坐标原点处在底板与边墩进口处坡线的交接点，x轴与水流方向垂直，y轴与竖直方向平行，z轴与水流方向平行。下图为有限元模型图：
通过对工况一、二应力云图分析可得，在缝墩迎水面弧形门槽部位都有最大拉应力的出现，但是工况一、二缝墩受到的整体应力大小以及受力分布较接近，只是工况二中中墩出现显著的不利应力状态。工况一、二在y方向的应力云图主拉应力值最大可达2.41MPa，y方向拉应力最大值为2.35MPa，该值比C25砼轴心抗拉力强度设计值更大，超过了1.27MPa。在底板与缝墩弧形门槽连接处单元格上出现了拉应力的最大值，而且应力值出现较大的变化，与该单元格相比较，四周单元格应力值略小，这种现象出现的原因在于有限元软件自身限制。
2 闸墩应力配筋
2.1 应力配筋原理
《水工砼结构设计规范》规定：通过计算弹性阶段闸墩结构的截面应力图形，并结合弹性主拉应力图形，对闸墩进行配筋，具体的操作原理为：
1）如果应力图形呈线性分布，应力可转换为内力，并参照普通壳系、杆系结构计算方式进行配筋计算；
2）如果应力与线性区别较大，或者完全不属于线性，可以以主拉应力在配筋方向投影图形的总面积为依据，对钢筋截面积As进行计算，但是，As必须符合下列方程式的要求：
针对三维坐标结构的复杂度，其截面各点主拉力方向存在不一致性，所以，在渠道实际配筋中，如果要顺着主拉应力方向进行钢筋布置，其难度很大，通常情况下，采取x轴、y轴、z轴三方向代替应力的配筋，属于正应力配筋。
2.2 计算闸墩应力配筋
以本案对有限元应力计算分析为依据，现将工况二作为研究对象，计算其应力配筋情况，并针对中墩墩位、中墩门槽、缝墩墩位、缝墩门槽四处拉应力最大断面，并对该断面应力值进行计算分析，下图为缝墩墩位、中墩墩位最大拉应力截面节点应力计算结果如下图所示：
3 总结
通过上文对有限单元法的分析可得，在计算非杆非壳大面积砼结构时，有限单元法能够很好地对砼结构的整体性进行反映，而且有限元分析法计算出的结果对大面积砼结构的应力分布非常直观，所以，应力配筋法在计算形状、受力均很复杂的水利工程方面是可行的，与此同时，应力配筋法也为水利工程提出新的设计思路。
参考文献：
[1]白峻昶、马福、靳金平等，非杆非壳大体积混凝土结构应力配筋法浅析[J].科技情报开发与经济，2010，20（34）：191-192.
[2]胡海忠，应力配筋方法浅析[J].城市建设理论研究（电子版），2012（11）.
[3]徐栋、孙远，体外预应力锚固横梁拉应力域法配筋[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38（7）：961-968.DOI：10.3969/j.issn.0253-374x.2010.07.004.
[4]方志、伍琼芳、曹国辉等，配筋混凝土箱梁长期受力性能的比拟杆分析[J].铁道学报，2012，34（8）：87-93.DOI：10.3969/j.issn.1001-8360.2012.08.014.