黃河渠村分洪閘除險加固工程機(jī)架橋抗震設(shè)計

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(河南黃河勘測設(shè)計研究院， 鄭州 450003)

黃河渠村分洪閘除險加固工程機(jī)架橋抗震設(shè)計

胡俊玲，趙彥彥

(河南黃河勘測設(shè)計研究院， 鄭州 450003)

黃河渠村分洪閘機(jī)架橋抗震設(shè)計是該除險加固工程的主要內(nèi)容之一。通過對機(jī)架橋排架地震作用組合的內(nèi)力分析以及承載力驗算，得知排架梁、柱受彎承載力滿足設(shè)計要求，受剪承載力不滿足設(shè)計要求。提出機(jī)架橋排架抗震加固措施采用外粘鋼板法，并對加固后排架梁、柱進(jìn)行斜截面承載力計算，保證工程具有可靠的抗震性能。

黃河渠村分洪閘； 機(jī)架橋； 抗震設(shè)計； 承載力； 外粘鋼板法

1 工程概況

黃河渠村分洪閘位于河南省濮陽縣境內(nèi)，相應(yīng)左岸大堤樁號47+776～48+525處，工程始建于1976年，屬1級建筑物。工程主要作用為：當(dāng)黃河上游發(fā)生特大洪水時，向北金堤滯洪區(qū)分洪，確保黃河下游防洪安全。

渠村分洪閘設(shè)計分洪流量10000m3/s，為鋼筋混凝土灌注樁基開敞式結(jié)構(gòu)，共56孔，分離式底板。閘墩頂設(shè)排架，自上游至下游依次布置機(jī)架橋、公路橋和小鐵路橋，其中小鐵路橋已廢棄。采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁板式閘門。機(jī)架橋上布設(shè)2×80t固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

該工程運行多年以來未曾進(jìn)行改擴(kuò)建和除險加固，近期通過對渠村分洪閘進(jìn)行安全鑒定，該閘存在機(jī)架橋、公路橋不滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計要求，啟閉設(shè)備已超過規(guī)定折舊年限、不能保證正常運行、電氣設(shè)備嚴(yán)重老化等問題，被評定為三類閘。因此，需對該水閘進(jìn)行除險加固，其中機(jī)架橋抗震設(shè)計為工程關(guān)鍵性技術(shù)難題。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)與等級

我國現(xiàn)階段工程結(jié)構(gòu)采用三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，即：小震不壞——當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；中震可修——當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般修理仍可繼續(xù)使用；大震不倒——當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。

渠村分洪閘位于河南省濮陽縣，抗震設(shè)防烈度為7度，機(jī)架橋為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，抗震等級為三級。

3 機(jī)架橋排架結(jié)構(gòu)分析

選取渠村分洪閘機(jī)架橋中墩排架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要考慮抗震設(shè)防烈度7度時的地震作用組合工況。

3.1 基本條件

排架柱截面尺寸b×h=1400mm×500mm，截面剛度EIc=3.21×105kN·m，柱計算高度Hc=4.6m。

排架梁截面尺寸b×h=1400mm×500mm，截面剛度EIb=3.21×105kN·m，梁計算跨度l0=2.9m。

3.2 荷載計算

排架所受的荷載包括排架的自重、啟閉機(jī)梁傳遞的集中荷載以及地震荷載等。啟閉機(jī)梁傳遞的集中荷載包括屋面重量、外墻自重、設(shè)備自重、起重力、翼板自重、縱梁自重等。

經(jīng)計算，排架梁自重qk=17.5kN/m，集中荷載Pk=1342.7kN，水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK=338kN。機(jī)架橋排架荷載計算簡圖見圖1。

圖1 機(jī)架橋排架荷載計算簡圖

3.3 內(nèi)力分析

3.3.1 重力荷載效應(yīng)

a.線剛度。

b.分配系數(shù)。

采用力矩分配法，計算重力荷載作用下排架彎矩、剪力結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 重力作用彎矩圖單位：kN·m

圖3 重力作用剪力圖單位：kN

3.3.2 水平地震作用效應(yīng)

采用反彎點法，計算水平地震作用下排架彎矩、剪力結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 水平地震作用彎矩圖單位：kN·m

圖5 水平地震作用剪力圖單位：kN

3.3.3 內(nèi)力組合

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，應(yīng)按下式計算：

S=γGSGE+γEhSEhk

式中S——結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力組合的設(shè)計值；

γG——重力荷載分項系數(shù)，采用1.2；

γEh——水平地震作用分項系數(shù)，采用1.3；

SGE——重力荷載代表值的效應(yīng)；

SEhk——水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。

對于排架梁、柱內(nèi)力組合的設(shè)計值調(diào)整后，成果見表1。

表1 機(jī)架橋排架梁、柱內(nèi)力組合設(shè)計值成果

3.4 承載力驗算

3.4.1 排架梁

混凝土強(qiáng)度等級采用C15,梁截面b×h=1400mm×500mm。主筋上層5φ28、下層5φ22，箍筋φ8@300。

排架梁端彎矩、剪力設(shè)計值較跨中大，此處對梁端正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力進(jìn)行驗算。

3.4.2 排架柱

混凝土強(qiáng)度等級采用C15,柱截面b×h=1400mm×500mm。對稱主筋3φ19+2φ22，箍筋φ8@300。此處對柱底端正截面受彎承載力、斜截面受剪承載力進(jìn)行驗算。

機(jī)架橋排架承載力驗算結(jié)果如表2所示，可知排架梁、柱受彎承載力滿足設(shè)計要求，受剪承載力不滿足設(shè)計要求。

表2 機(jī)架橋排架承載力驗算結(jié)果

4 機(jī)架橋排架加固

4.1 排架加固方法

由于排架梁受剪承載力略有不足，考慮僅對排架梁端采取加固措施，加固長度為750mm，以增強(qiáng)節(jié)點核心的抗震性能。排架柱不僅抗剪承載力不足，且柱端箍筋原設(shè)計為φ8@300mm，也不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)中抗震構(gòu)造措施要求，因此，考慮沿排架柱高度范圍全長加固。

近年來，粘鋼加固方法被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固工程，與其他加固方法相比較，粘鋼加固具有以下優(yōu)點：

a.基本不增加構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的荷載，不改變原設(shè)計的結(jié)構(gòu)體系和受力形式。

b.膠粘劑硬化時間快，施工周期短，基本不影響正常運行。

c.膠粘劑強(qiáng)度高于混凝土本體強(qiáng)度，可以使加固體與原構(gòu)件共同工作，受力均勻。

d.粘鋼加固一方面補(bǔ)充了原構(gòu)件鋼筋的不足，有效提高了原構(gòu)件的承載力；另一方面還通過大面積的鋼板粘貼，有效地保護(hù)了原構(gòu)件的混凝土，限制裂縫的開展，提高了原構(gòu)件的剛度和抗裂能力。

因此，此次排架加固考慮采用外粘鋼板法，鋼板采用Q235鋼，厚度5mm，其外表面應(yīng)進(jìn)行防銹蝕處理。根據(jù)實際需要，外粘鋼板加工制作型式為：排架柱采用“]”型，排架梁采用“」”型。粘貼鋼板外表面抹M15水泥砂漿防護(hù)層，厚度3cm。為加強(qiáng)粘貼鋼板與混凝土構(gòu)件的連接，采用化學(xué)錨栓M12×145進(jìn)行固定。

膠粘劑必須采用專門配制的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，其安全性檢驗指標(biāo)應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2006)中的要求。

4.2 排架加固計算

排架梁、柱的正截面受彎承載力可滿足要求，因此，僅考慮對排架梁、柱進(jìn)行斜截面加固計算。

斜截面受剪承載力采用下式進(jìn)行計算：

V≤Vco+ψvbfvAsp

式中Vco——加固前構(gòu)件的斜截面承載力；

ψvb——與鋼板的粘貼方式及受力條件有關(guān)的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.58；

fv——加固鋼板的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，Q235鋼取125N/mm2；

Asp——受剪鋼板的截面面積。

經(jīng)計算，排架梁受剪鋼板的截面面積為139mm2，兩側(cè)受剪鋼板的截面寬度為500mm，則受剪鋼板的厚度為0.14mm；排架柱受剪鋼板的截面面積為2001mm2，兩側(cè)受剪鋼板的截面寬度為500mm，則受剪鋼板的厚度為2mm。

為安全起見，并考慮施工、制作等因素，粘貼鋼板厚度取5mm。

5 結(jié) 論

工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，是以現(xiàn)有科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提的。目前，對于地震規(guī)律性的認(rèn)識還很不足，人們在總結(jié)歷次地震災(zāi)害經(jīng)驗時意識到：一個合理的抗震設(shè)計，在很大程度上取決于良好的“抗震概念設(shè)計”?？拐鸶拍钤O(shè)計是指一些在計算或在規(guī)范中難以作出具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念”進(jìn)行分析，作出判斷，以便采取相應(yīng)的措施。例如：結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、力學(xué)概念以及由震害現(xiàn)象提供的經(jīng)驗等，這些概念及經(jīng)驗需貫穿在方案確定及結(jié)構(gòu)布置過程中，也體現(xiàn)在計算過程或計算結(jié)果的處理中。

對于地震區(qū)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般包括抗震概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算和抗震構(gòu)造措施三方面。通過執(zhí)行抗震設(shè)計規(guī)范中的各項規(guī)定，以保證抗震概念設(shè)計的完成；通過遵循抗震概念設(shè)計的原則，使建筑物具有可靠的抗震性能。只有做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致、充分利用先進(jìn)的設(shè)計理念、發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)、解決好構(gòu)造處理、利用定量計算進(jìn)行抗震分析、用概念判斷計算的合理性等方面，才能做好工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，這對于防震減災(zāi)具有深遠(yuǎn)的意義。

[1] GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

Earthquake Resistance Design of Frame Bridge in Yellow River Canal Village Flood-division Sluice Risk Removal and Reinforcement Project

HU Jun-ling, ZHAO Yan-yan

(Henan Yellow River Survey and Design Institute, Zhengzhou 450003, China)

Frame bridge earthquake resistance design is one of the main contents in Yellow River canal village flood-division sluice risk removal project. It is known that bending bearing capacity of bent beams and columns can meet design requirements according to internal force analysis and bearing capacity calculation of frame bridge bent earthquake effect combination. The shear capacity cannot meet design requirement. It is proposed that external sticky steel plate method is adopted as reinforcement measures of frame bridge bent earthquake resistance, and oblique section bearing capacity is calculated on bent beams and columns after reinforcement, thereby ensuring that the project has reliable earthquake resistance performance.

Yellow River canal village flood-diversion sluice; frame bridge; earthquake resistance design; bearing capacity; external sticky steel plate method

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1005-4774(2014)12-0020-04