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user: 3. 闸室结构加固方案研究 3.1. 反拱底板填平方案研究 鉴于连续反拱结构是底板开裂的主要诱因，从改变反拱结构特征出发，由于反拱底板对地基的不均匀沉降较为敏感，工程中一般采用将反拱填平的方案进行底板抗裂加固，为保证新老混凝土接合面强度，将底板表面打毛清洗，拱内用C20混凝土填平 [ 2 ] 。底板加固方案示意图见图2。 反拱底板填平方案闸室结构应力场分析 从结构角度出发，采用ABAQUS有限元软件建立三维闸室结构模型 [ 3 ] [ 4 ] ，分析研究闸室结构应力场，探讨该同类加固方案选择。填平反拱底板的闸室结构计算模型见图3，填平后的反拱底板模型见图4。 闸底板经填平，对模型进行网格剖分，主要采用结构化网格剖分技术和扫掠网格剖分技术 [ 5 ] [ 6 ] ，模型采用六面体减缩线性积分单元，闸室离散为19，110个单元，28，223个结点。分别对闸室结构的三种工况进行了空间有限元计算 [ 7 ] [ 8 ] ，从应力角度对闸室结构进行分析并作出安全评价。接触模拟中依旧采用单纯主从接触算法以及硬接触的法向模型 [ 9 ] 。 根据计算结果的应力云图进行分析，具体计算的闸室最大主拉应力云图见图5，闸室最大主压应力云图见图6。 闸室结构应力计算成果见表1、表2。 图1. 沭新闸原闸室结构形式 图2. 沭新闸底板加固示意图 图3. 沭新闸闸室结构计算模型图 图4. 填平后的反拱底板模型图 图5. 闸室最大主拉应力分布图(Pa) 图6. 闸室最大主压应力分布图(Pa) Table 1 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大拉压应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 0.69 0.60 1.23 0.43 校核期 0.73 0.67 1.30 0.47 地震期 0.83 0.77 1.41 0.58 表1. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 Table 2 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算 工况 最大主压应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 1.61 2.07 2.23 2.20 校核期 1.89 2.10 2.32 2.38 地震期 2.09 2.20 2.39 2.47 表2. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 由应力云图及表可知，在各工况下闸室底板的最大主拉应力主要分布在与边墩连接处的面层，最大值为0.83 MPa，最大主压应力主要分布在与边墩连接处的面层以及闸室底板底层，最大值为2.20 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在边墩与底板连接处的临土侧，最大值为1.41 MPa，最大主压应力主要分布在边墩与底板连接处的临水侧，最大值为2.39 MPa；交通桥拱板的最大主拉应力主要分布在上游段拱板底层，最大值为0.58 MPa，最大主压应力主要分布在上游段拱板底层，最大值为2.47 MPa。 反拱底板填平后，底板、闸墩、交通桥拱板的拉、压应力与加固前相比均有所减小，相对闸墩来说，反拱底板的填平对底板的应力场影响更为明显。 3.2. 闸墩加撑梁方案研究 在此方案中，反拱底板不填平，在π型拱拱脚处增设0.4 × 0.6 m (宽 × 高)矩形撑梁，通过改变撑梁的数目分析闸室结构应力场，本次分别对增设6根撑梁与11根撑梁的闸室结构应力进行分析比较。 闸墩加固方案示意图见图7。 3.2.1. 加撑梁(6根)闸室结构应力场分析 加6根撑梁的闸室结构计算模型见图8。 根据计算结果的应力云图进行分析，具体计算的闸室最大主拉应力云图见图9，闸室最大主压应力云图见图10。 闸室结构应力计算成果见表3、表4。 由应力云图及表可知，在各工况下闸室底板的最大主拉应力主要分布在与边墩连接处的面层，最大值为0.90 MPa，最大主压应力主要分布在与边墩连接处的面层以及闸室底板底层，最大值为2.25 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在边墩与底板连接处的临土侧，最大值为1.40 MPa，最大主压应力主要分布在边墩与底板连接处的临水侧，最大值为2.39 MPa；交通桥拱板的最大主拉应力主要分布在上游段拱板面层，最大值为0.40 MPa，最大主压应力主要分布在上游段拱板底层，最大值为2.40 MPa。 图7. 沭新闸闸墩加撑梁加固示意图 图8. 加撑梁闸室结构计算模型图 图9. 闸室最大主拉应力分布图(Pa) 图10. 闸室最大主压应力分布图(Pa) Table 3 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主拉应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 0.73 0.67 1.02 0.31 校核期 0.80 0.75 1.18 0.36 地震期 0.90 0.86 1.40 0.40 表3. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 Table 4 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主压应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 1.92 1.96 2.18 2.26 校核期 2.11 2.18 2.32 2.36 地震期 2.19 2.25 2.39 2.40 表4. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 在交通桥拱脚处增设撑梁后，底板、闸墩、交通桥拱板的拉、压应力与加固前相比均有所减小，相对底板来说，闸墩加撑梁后，对闸墩的应力场影响更为明显。 3.2.2. 加撑梁(11根)闸室结构应力场分析 加11根撑梁的闸室结构计算模型见图11。 根据计算结果的应力云图进行分析，具体计算的闸室最大主拉应力云图见图12，闸室最大主压应力云图见图13。 闸室结构的应力计算结果见表5、表6。 由应力云图及表可知，在各工况下闸室底板的最大主拉应力主要分布在与边墩连接处的面层，最大值为0.87 MPa，最大主压应力主要分布在与边墩连接处的面层以及闸室底板底层，最大值为2.21 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在边墩与底板连接处的临土侧，最大值为1.35 MPa，最大主压应力主要分布在边墩与底板连接处的临水侧，最大值为2.35 MPa；交通桥拱板的最大主拉应力主要分布在上游段拱板面层，最大值为0.43 MPa，最大主压应力主要分布在上游段拱板底层，最大值为2.33 MPa。 撑梁的数目不同对闸室结构的应力影响也就不同，撑梁越多，对闸室结构越有利，尤其对闸墩的应力场影响更为明显。经承载能力分析，仅在拱脚处增设撑梁，底板的承载能力无法满足要求，但闸墩的承载能力基本能满足要求。 图11. 加撑梁闸室结构计算模型图 图12. 闸室最大主拉应力分布图(Pa) 图13. 闸室最大主压应力分布图(Pa) Table 5 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主拉应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 0.70 0.65 0.96 0.24 校核期 0.77 0.72 1.15 0.32 地震期 0.87 0.82 1.35 0.43 表5. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 Table 6 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主压应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 设计期 1.89 1.93 2.15 2.16 校核期 2.08 2.15 2.28 2.32 地震期 2.16 2.21 2.35 2.33 表6. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 3.3. 反拱底板填平、加撑梁方案研究 在此方案中，反拱底板填平，同时在交通桥π型拱拱脚处增设11根0.4 × 0.6米(宽 × 高)矩形抗震撑梁，分析闸室结构应力场。闸墩加固方案示意图见图14。 反拱底板填平、加撑梁闸室结构应力场分析 填平反拱底板、加11根撑梁的闸室结构计算模型见图15。 根据计算结果的应力云图进行分析，具体计算的闸室最大主拉应力云图见图16，闸室最大主压应力云图见图17。 闸室结构应力计算成果见表7、表8。 由应力云图及表可知，在各工况下闸室底板的最大主拉应力主要分布在与边墩连接处的面层，最大值为0.73 MPa，最大主压应力主要分布在与边墩连接处的面层以及闸室底板底层，最大值为2.15 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在边墩与底板连接处的临土侧，最大值为1.12 MPa，最大主压应力主要分 图14. 沭新闸闸室加固示意图 图15. 反拱底板填平、加撑梁闸室结构计算模型图 图16. 设计期最大主拉应力分布图(Pa) 图17. 校核期最大主拉应力分布图(Pa) Table 7 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主拉应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 撑梁 设计期 0.61 0.52 0.87 0.18 1.92 校核期 0.72 0.55 0.91 0.26 2.01 地震期 0.73 0.63 1.12 0.34 2.29 表7. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 Table 8 Calculation results of structural stress of Shuxin lock chambe 计算工况 最大主压应力(MPa) 底板面层 底板底层 闸墩 交通桥拱板 撑梁 设计期 1.42 1.87 2.10 1.87 2.56 校核期 1.76 2.00 2.23 2.00 2.72 地震期 1.89 2.15 2.28 2.15 2.92 表8. 沭新闸闸室结构应力计算成果表 布在边墩与底板连接处的临水侧，最大值为2.28 Mpa；交通桥拱板的最大主拉应力主要分布在上游段拱板面层，最大值为0.34 Mpa，最大主压应力主要分布在上游段拱板底层，最大值为2.15 Mpa；撑梁的最大主拉应力主要分布在闸身上游段第一根撑梁与闸墩连接处，最大值为2.29 MPa，最大主压应力主要分布在闸身下游段撑梁的底层，最大值为2.92 MPa。 经过承载能分析，闸室底板、闸墩、撑梁、交通桥拱板的结构承载力满足要求，最大主压应力均未超过混凝土的允许压应力，故混凝土抗压强度满足要求。