悦来泵站沉箱进水口封堵钢板设计

郝春付，耿贺松

(1.桦川县水务局，黑龙江桦川154300;2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

桦川县悦来新建泵站工程位于松花江下游右岸凹岸处，主厂房基础采用沉井结构，前池由U字型厂房沉井三面围成，共9台机组，9个进水口。由于在厂房内部施工过程中，沉箱内必需常期处于干燥状态，因此在地面沉箱制作时要用钢板对进水口进行严密封堵，并确保安全可靠。

1 进水口土压力计算

前池地表以下均为砂土，干密度γ=1.74 t/m3，饱和密度γm=2.09 t/m3，水密度取γω=1 t/m3，砂土浮密度γ'= γm－γω=1.09 t/m3。地表面高程75.10 m，常年地下水位高程72.00 m，进水口顶高程67.42 m，底高程65.42 m，进水口尺寸为3m×2m。

由于沉箱下沉到位后，四周均受土压力且处于平衡状态，因此进水口封堵钢板可按静止土压力，并取这一最大受力状态进行计算，静止土压力系数k0取0.7。各点及总土压力计算如下:

图1 进水口土压力示意图

式中:Pω为图1中D点水压力;PB、PC、PD为图1中相应各点土压力;P0为面板下部区格中心点的饱和土压强度;P为封堵钢板单位宽度总土压力，因为孔口较深，门顶与门底的水压强度差值相对较小，可近似认为P作用在进水口的中心位置;H1、H2、H3、H4均为图示各土层厚度。

图2 进水口封堵塞示意图

2 封堵钢板结构设计

2.1 设计资料

孔口净宽:3.00 m;孔口净高:2.00 m;结构材料:Q235;焊条:E43;止水橡皮:孔口四周止水用条形橡皮;混凝土强度等级:C25。

2.2 梁格的布置形式

梁格用来支承面板，以减少面板跨度而达到减少面板厚度的目的。为了充分发挥材料的作用来抵抗弯距和挠度，采取增大主梁的高度比增加主梁数目的效果要好。当孔口跨度较大，而高度较小时(L≥1.5 H)，主梁的数目一般应减小到两根，因此按本例孔口尺寸，可采用双主梁双次梁等间距布置，即两根水平向的主梁和两根竖直向的次梁均对称的分布于荷载P作用点(孔口中心点)的两侧，呈井字梁形式，如图所示，其中竖直次梁可采用横隔板来代替。

2.3 估算面板厚度

按图示的梁格布置，共分9个区格，各区格都是四端固定，尺寸相同，只是受力状况不同，显然最下面的3个区格所受压力最大，所需面板较厚，应作为面板厚度设计标准。

式中:t为面板厚度;k为四边固定矩形弹性薄板在支承长边中点的弯应力系数，可按《水工钢结构》附录九表2查得k= 0.454;P0为面板计算区格中心的饱和土压强度;a、b为面板区格的短边和长边的长度;α为弹塑性调整系数，当b/a≤3时，α=1.5;［σ］为钢材的抗弯容许应力，Q235钢材［σ］=160 N/mm2;

2.4 主梁设计

主梁跨度:L=3m，主梁间距2/3 m，每根主梁荷载:q= P/2=27.23/2=13.62 t/m，横向隔板间距:1.0 m，主梁容许挠度［ω］=L/750

2.4.1 截面选择

1)弯矩与剪力。为偏于安全，可按简支梁计算，

2)需要的截面模量。已知Q235钢的容许应力［σ］= 160 N/mm2，考虑钢板自重引起的附加应力作用，取容许应力为［σ］=0.9×160=144 N/mm2，则需要的截面模量为

3)腹板高度的选择。按刚度要求的最小梁高为

式中:E为钢材的弹性模量E=206×103N/mm2=2.06×107N/cm2;经济梁高hec=3.1W2/5=3.1×1063.892/5=50.36cm

由于横向隔板重量将随主梁增高而增加，故主梁高度宜选得比hec小，但≥hmin。

现选用腹板高度h0=40cm。

4)腹板厚度的选择。按经验公式计算:

选用

5)翼缘截面选择。每个翼缘需要截面为

翼缘厚度选用t1=1.5cm(符合钢板规格)，需要15 cm(在

对于封堵钢板，主梁一般选用成品型钢，然后进行强度等校核。根据以上数据选用热扎普通工字钢，型号为40a，相应截面特性参数可由表中查得。

6)弯应力强度验算。最大应力发生在主梁跨中截面，只需对该截面进行应力验算。查表可知40a型工字钢截面模量为Wx=1085.7cm3，弯应力为14.11KN/cm2＜0.9×16=14.4KN/cm2(安全)

7)整体稳定性与挠度验算。因主梁上翼缘直接同钢面板相连，按规范规定可不必验算整体稳定性。又因梁高大于按刚度要求的最小梁高，故梁的挠度也不必验算。

2.4.2 面板局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力的验算。

估算出面板厚度并选定主梁截面后，考虑到面板本身在局部弯曲的同时，还随着主梁受整体弯曲的作用，则面板为双向受力状态，故应按强度理论对折算应力进行验算。

对于四边固定的面板，根据理论分析和试验结果可知，在均布荷载作用下最大弯矩发生在面板支承边的长边中点处。通过上述梁格布置，各区格都是四端固定，尺寸相同，只是受力状况不同，显然最下面的三个区格所受压力最大，所需面板较厚，这意味着该区格的长边中点应力也较大，所以选取下部3个区格之一验算其长边中点的折算应力。

区格在长边中点的局部弯曲应力:

对应于面板区格在长边中点的主梁弯距和弯应力

折算应力

故面板厚度选用12 mm，满足强度要求。式中σmy为垂直于主梁轴线方向、面板区格的支承长边中点的局部弯曲应力;σmx为面板区格沿主梁轴线方向的局部弯应力，其中μ为泊松比，取μ=0.3;σ0x为对应于面板验算点的主梁上翼缘的整体弯曲应力;其他符号同前;σmy、σmx、和σ0x的取值均以拉应力为正号，压应力为负号。

2.5 横隔板设计

横隔板同时兼作竖直次梁和横向加劲肋，以保证主梁腹板局部稳定，它同样承受面板传来的分布荷载，可按构造要求进行设计。它的截面高度与主梁截面高度相同。隔板厚度通常不大于8～10 cm。因为有面板的存在，横隔板可不另设上翼缘，其下翼缘一般用宽度为100～200 mm、厚度为10～12mm的扁钢做成。这种由构造要求确定的尺寸，使横隔板的应力很小，可不进行强度验算。

3 封堵结构与钢筋混凝土连接

3.1 埋件预留

在进水口混凝土浇注时要按图示位置预留相应型号(M30YG型)胀锚螺栓，螺栓间距为20 cm。还要按图示位置在每个进水口预埋8块400mm×400mm×2mm规格的钢板，每块钢板上采用双侧连续焊缝的方法固定两根¢25 U型锚筋，锚筋锚入混凝土长度≥40 cm，同时还要将钢板与墙外侧筋进行焊接。

3.2 钢板与混凝土的连接

钢板与混凝土搭接部分为20 cm宽，因此钢板的实际尺寸为3.4m×2.4m。钢板与混凝土之间要嵌入一圈20cm宽相应规格的橡胶止水带，然后将钢板及止水带相应位置打孔后用预埋螺栓与混凝土拧紧压牢，可保密封效果。

3.3 梁格与混凝土的连接

按上述选定的主梁型号及横隔板截面尺寸，将主梁与横隔板及整个井字梁与封堵钢板之间采用连续焊缝的方法焊牢，这样梁的整体稳定性可得到保证。主梁及横隔板的端部与上述8块预埋钢板也要采用连续焊缝的方法焊牢，则井字梁可与进水口四周钢筋混凝土构成一体，共同抵抗由面板传来的荷载。

［1］钱家欢.土力学［M］.江苏:河海大学出版社，1988.

［2］范崇仁.水工钢结构［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.