水闸反拱底板结构安全复核方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体而言，涉及一种水闸反拱底板结构安全复核方法。


背景技术：

2.水闸是一种常见的水工建筑物，常规水闸为平底板结构，但也存在反拱底板结构。20世纪60年代左右，在我国江苏省、浙江省、安徽省等地修建了大批反拱底板水闸，反拱底板水闸的底板厚度较薄，仅需配少量钢筋，甚至不配钢筋，因此反拱底板水闸可节省大量建筑材料，从而节省投资。根据《水闸安全鉴定管理办法》需定期对水闸进行全面安全鉴定，并根据鉴定结果进行必要的除险加固，以确保水闸安全运行。现行《水闸安全评价导则》没有指定专门针对反拱底板的安全复核方法。现行规范在结构安全复核部分，有对混凝土结构最小配筋率的要求。由于反拱底板为少筋或无筋混凝土构件，其配筋率远不能满足现行规范关于最小配筋率的要求，根据规范反拱底板结构安全性需评为c级，这将导致水闸安全类别划分为三或四类，需对反拱底板进行除险加固处理。然而多数反拱底板水闸已安全运行多年，若水闸反拱底板现状未出现裂缝或其他损伤，一律进行除险加固，势必不经济、不合理。


技术实现要素：

3.(一)解决的技术问题本技术实施例提供了一种水闸反拱底板结构安全复核方法，为反拱底板的安全复核提供一种科学合理的方法，避免进行不必要的除险加固，填补该领域的空白。
4.(二)技术方案本技术实施例提供了一种水闸反拱底板结构安全复核方法，包括：step1、获取相邻闸墩不均匀沉降差值；step2、闸室有限元数值模拟；step3、反拱底板安全复核。
5.其中，step1、获取相邻闸墩不均匀沉降差值，包括：采用精密水准仪获取每个闸墩顶高程zi，相邻闸墩顶高程差值的绝对值abs（z
i+1-zi）为不均匀沉降差值。
6.其中，step2、闸室有限元数值模拟，包括：（1）根据闸室的结构尺寸、地形、地质条件建立有限元模型；（2）输入模型各部分的材料参数，设置边界条件，施加荷载；（3）将step1中获取的相邻闸墩间的不均匀沉降作为强制位移边界条件输入；（4）进行有限元计算，得到反拱底板内力结果。
7.其中，将step1中获取的相邻闸墩间的不均匀沉降作为强制位移边界条件输入，包括：
分析比较观测得到的闸墩顶高程值zi，挑选出其中的最大值max（zi），最大值max（zi）所属的闸墩竖向强制位移设为零，其他闸墩竖向强制位移设为（max（zi）-zi），方向竖直向下。
8.其中，step3、反拱底板安全复核，包括：（1）比较反拱底板最大主应力中的最大拉应力max_σ
t
和混凝土抗拉设计值f
t
。
9.（2）取反拱底板内力中最大主应力所在截面，比较第一计算式与第二计算式的大小，第一计算式为：ave_σ
t
×b×ht
，第二计算式为(as×fy
)/k，式中，ave_σ
t
为最大拉应力位置受拉区应力平均值，h
t
为受拉区高度，b为计算宽度，as为计算宽度b内受拉钢筋面积，fy为所采用钢筋抗拉强度设计值，k为安全系数，取值范围：1～1.35；第一计算式的物理意义为计算宽度内受拉区总应力大小，式(as×fy
)的物理意义为计算宽度内受拉钢筋的抗拉承载力大小。
10.其中，当max_σ
t
《f
t
时，在各项荷载作用下反拱底板不会开裂，少筋反拱底板不会影响闸室结构安全，反拱底板结构安全性分级可评为b级。
11.其中，当max_σ
t
》=f
t
，且ave_σ
t
×b×ht
《(as×fy
)/k时，在各项荷载作用下反拱底板可能开裂，但受拉区钢筋不会立即失效，该情况下需进一步分析加固反拱底板的必要性，若使底板内力最大的工况可在运行时避免，反拱底板结构安全性分级可评为b级，若不可避免，反拱底板结构安全性分级可评为c级。
12.其中，当max_σ
t
》=f
t
，且ave_σ
t
×b×ht
》=(as×fy
)/k时，在各项荷载作用下反拱底板可能开裂，且受拉区钢筋可能立即失效，该情况下反拱底板对闸室结构安全威胁较大，反拱底板结构安全性分级可评为c级,并建议采取有效措施对反拱底板进行加固。
13.(三)有益效果本技术实施例水闸反拱底板结构安全复核方法具有如下有益效果：本技术水闸反拱底板结构安全复核方法包括：step1、获取相邻闸墩不均匀沉降差值；step2、闸室有限元数值模拟；step3、反拱底板安全复核。本发明具有如下有益效果：1.提出了一种水闸反拱底板结构安全复核方法，填补了该领域的空白，对相关工程有指导意义；2.在运用有限元方法分析反拱底板内力时，考虑了实测不均匀沉降的影响，使内力分析结果更接近实际情况，更加准确；3.利用反拱底板内力分析结果，提出了反拱底板安全复核公式，公式物理意义明确，可准确评估反拱底板的安全性，且判别公式简单易用。
附图说明
14.图1为本技术水闸反拱底板结构安全复核方法的总体步骤示意图；图2为反拱底板安全复核流程图；图3为反拱底板水闸有限元模型；图4为反拱底板最大主应力云图；图5为配筋截面内力计算示意图；图6为常规平底板水闸剖面示意图；图7为反拱底板水闸剖面示意图。
具体实施方式
15.如图1-7所示，本发明的目的是提供一种水闸反拱底板结构安全复核方法，为反拱底板的安全复核提供一种科学合理的方法，避免进行不必要的除险加固，填补该领域的空白。
16.为了实现上述目的，本发明提出一种水闸反拱底板结构安全复核方法，它包括：step1、获取相邻闸墩不均匀沉降差值；step2、闸室有限元数值模拟；step3、反拱底板安全复核。
17.上述step1中，可采用精密水准仪获取每个闸墩顶高程zi，相邻闸墩顶高程差值的绝对值abs（z
i+1-zi）为不均匀沉降差值。反拱底板结构对变形十分敏感，微小的变形可导致反拱结构内部产生较大的应力。在反拱底板水闸中，相邻闸墩易产生不均匀沉降，该不均匀沉降对底板内力影响较大，所以在复核反拱底板结构安全时，应考虑该部分的影响。
18.上述step2中，闸室有限元数值模拟分析的具体步骤为：（1）根据闸室的结构尺寸、地形、地质条件建立有限元模型；（2）输入模型各部分的材料参数，设置边界条件，施加荷载；（3）将step1中获取的相邻闸墩间的不均匀沉降作为强制位移边界条件输入；（4）进行有限元计算，得到反拱底板内力结果。
19.上述步骤（3）中将不均匀沉降作为强制位移边界条件输入的具体方法为：分析比较观测得到的闸墩顶高程值zi，挑选出其中的最大值max（zi），最大值max（zi）所属的闸墩竖向强制位移设为零，其他闸墩竖向强制位移设为（max（zi）-zi），方向竖直向下。现有技术未提及在分析过程中考虑相邻闸墩间不均匀沉降的影响，而这个因素对反拱底板的内力影响很大，以上在利用有限元分析反拱底板内力时考虑不均匀沉降及具体施加方法为本发明独创。
20.上述step3中，反拱底板安全复核主要利用step2所得出的反拱底板内力结果，尤其是最大主应力值，具体方法为：（1）比较反拱底板最大主应力中的最大拉应力（max_σt）和混凝土抗拉设计值（f
t
）。
21.（2）必要时，取反拱底板内力中最大主应力所在截面，进一步比较式（ave_σ
t
×b×ht
）与式（(as×fy
)/k）值的大小，式中，ave_σ
t
为最大拉应力位置受拉区应力平均值，h
t
为受拉区高度，b为计算宽度，as为计算宽度b内受拉钢筋面积，fy为所采用钢筋抗拉强度设计值，k为安全系数（1～1.35）。（注：该部分中的比较公式为本发明独创）上述步骤（1）中，混凝土抗拉设计值（f
t
）也可采用现场检测获得的混凝土参数。
22.上述步骤（2）中，式（ave_σ
t
×b×ht
）的物理意义为计算宽度内受拉区总应力大小，式(as×fy
)的物理意义为计算宽度内受拉钢筋的抗拉承载力大小，（(as×fy
)/k）中k根据工程重要性取值1～1.35是为了考虑一定的安全富裕量。
23.通过步骤（1）、（2）的比较，可能出现的情况如下：情况1：反拱底板内力中最大主应力，max_σ
t
《f
t
，此时，在各项荷载作用下反拱底板不会开裂，少筋反拱底板不会影响闸室结构安全，反拱底板结构安全性分级可评为b级。（注：现行水闸规范对结构安全性分3级，a级：状态良好，b级：存在一定质量缺陷尚不影响安全，c级：不满足标准要求。）情况2：反拱底板内力中最大主应力，max_σ
t
》=f
t
，且ave_σ
t
×b×ht
《(as×fy
)/k，此
时，在各项荷载作用下反拱底板可能开裂，但受拉区钢筋不会立即失效，该情况下需进一步分析加固反拱底板的必要性，若使底板内力最大的工况可在运行时避免，反拱底板结构安全性分级可评为b级，若不可避免，反拱底板结构安全性分级可评为c级。
24.情况3：反拱底板内力中最大主应力，max_σ
t
》=f
t
，且ave_σ
t
×b×ht
》=(as×fy
)/k，此时，在各项荷载作用下反拱底板可能开裂，且受拉区钢筋可能立即失效，该情况下反拱底板对闸室结构安全威胁较大，反拱底板结构安全性分级可评为c级,并建议采取有效措施对反拱底板进行加固。
25.本发明具有如下有益效果：1、提出了一种水闸反拱底板结构安全复核方法，填补了该领域的空白，对相关工程有指导意义；2、在运用有限元方法分析反拱底板内力时，考虑了实测不均匀沉降的影响，使内力分析结果更接近实际情况，更加准确；3、利用反拱底板内力分析结果，提出了反拱底板安全复核公式，公式物理意义明确，可准确评估反拱底板的安全性，且判别公式简单易用。
26.以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。