裴莊節(jié)制閘工程機(jī)架橋抗震性能分析

龐景蘭

（水利部河北水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

隨著建筑工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對工程抗震性能提出了越來越高的要求。1966年，邢臺地震提出基礎(chǔ)深一點(diǎn)，墻體厚一點(diǎn)，屋頂輕一點(diǎn)。1976年唐山地震創(chuàng)造了構(gòu)造柱和圈梁的形式。1988年瀾滄、耿馬地震后，明確了小震不壞，中震可修，大震不倒的原則。2008年汶川地震發(fā)生后，根據(jù)對災(zāi)情的調(diào)研，修定了建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011—2001，2008年版）。現(xiàn)以裴莊節(jié)制閘工程為例，對如何提高機(jī)架橋抗震性能進(jìn)行探討。

1 工程概況

裴莊節(jié)制閘工作閘門采用平面鋼閘門。機(jī)架橋為啟閉機(jī)提供工作平臺，同時為啟閉機(jī)室和上下游檢修閘門啟閉機(jī)提供結(jié)構(gòu)支撐。機(jī)架橋位于閘墩墩頂，共9孔，閘墩寬1.4m，孔口9m，起止高程為4.6～14m，機(jī)架橋高9.4m。

機(jī)架橋上布置9臺2×400kN啟閉機(jī)；橋面上啟閉機(jī)室高4.8m；工作閘門上游和下游分別設(shè)置檢修門，采用2×100kN移動電動葫蘆進(jìn)行啟閉。

由于裴莊節(jié)制閘采用平面直升鋼閘門，使得機(jī)架橋的結(jié)構(gòu)高度較大，有橋面、啟閉機(jī)、啟閉機(jī)室等重力荷載，結(jié)構(gòu)的重心較高。機(jī)架橋上部工程區(qū)設(shè)計基本地震加速度值為0.2g，抗震設(shè)防烈度為8°，因此對其進(jìn)行抗震設(shè)計是本課題重點(diǎn)研究的問題。

2 結(jié)構(gòu)體系確定

2.1 結(jié)構(gòu)體系分析

根據(jù)建筑使用功能要求，本工程有3種結(jié)構(gòu)體系。

2.1.1 整體式框架結(jié)構(gòu)

縱向最大柱距10.875m，共9跨；橫向柱距6.4m， 共1跨， 機(jī)架橋高9.4m。啟閉機(jī)室及上下游檢修門移動電動葫蘆直接作用在12.5m高程框架梁上，見圖1。

2.1.2 懸臂式框架結(jié)構(gòu)

縱向最大柱距10.875m，共9跨；橫向柱距2.5m， 共1跨， 機(jī)架橋高9.4m。為滿足管理、使用、啟閉機(jī)檢修維護(hù)所需空間，14m高程縱橫梁需做成懸挑結(jié)構(gòu)，承擔(dān)上部啟閉機(jī)室；上下游檢修門移動電動葫蘆則作用在10.3m高程框架柱懸挑的牛腿上，見圖2。

2.1.3 簡支結(jié)構(gòu)

縱向最大柱距10.875m，共9跨；橫向柱距2.5m， 共1跨， 機(jī)架橋高7.8m，其上簡支設(shè)置1.6m高鋼筋混凝土T型梁，T型梁上安設(shè)輕質(zhì)彩鋼板啟閉機(jī)室，上下游檢修門移動電動葫蘆直接作用在11.8m高程框架梁上，見圖3。

2.2 結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

2.2.1 整體式框架結(jié)構(gòu)

（1）優(yōu)點(diǎn)。 14m高程縱、橫向均設(shè)有框架梁，縱橫梁間用水平剛度無限大的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板相聯(lián)。因此，整體剛度好、抗震性能好；外側(cè)兩道縱梁承受啟閉機(jī)室重量，中間2道縱梁承受啟閉機(jī)荷載，受力分工明確；每孔在4道縱梁間加設(shè)2道橫梁，使上下游檢修門移動電動葫蘆工字鋼跨度控制在4m之內(nèi)。

（2）缺點(diǎn)。框架較高，抬高了電動葫蘆的起升高度，增加了鋼絲繩的長度。

2.2.2 懸臂式框架結(jié)構(gòu)

（1）優(yōu)點(diǎn)。14m高程縱、橫向均設(shè)有框架梁，縱橫梁間用水平剛度無限大的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板相聯(lián)，根據(jù)工藝要求在橫向框架中間高程設(shè)置1道連系梁。因此，整體剛度好，外側(cè)2道縱梁承受啟閉機(jī)室重量，中間兩道縱梁承受啟閉機(jī)荷載，受力分工明確。

（2）缺點(diǎn)。整個啟閉機(jī)室作用在懸挑結(jié)構(gòu)上，懸挑梁長度1.95m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柱距30%，屬于抗震規(guī)范中平面不規(guī)則類型，不利于抗震；上下游檢修門移動電動葫蘆則作用在10.3m高程框架柱懸挑的牛腿上，工字鋼最大跨度達(dá)10.875m，大大增加了工字鋼與牛腿的連接難度。

2.2.3 簡支結(jié)構(gòu)

（1）優(yōu)點(diǎn)。由于T型梁可以提前預(yù)制，避免了現(xiàn)場梁、板的模板支設(shè)，可以縮短工期。

（2）缺點(diǎn)。14m高程預(yù)制T型梁簡支在梁上，使下部框架沒有縱梁連接。因此，整體剛度不好；中間2道縱梁承受啟閉機(jī)荷載，啟閉機(jī)室作用在T型梁的翼緣上，只能采用輕型材料，耐久性能較差；啟閉機(jī)及啟閉機(jī)室所有荷載都通過預(yù)制T型梁傳到下部柱上，造成豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，屬于抗震規(guī)范中豎向不規(guī)則類型，不利于抗震；上下游檢修門移動電動葫蘆則作用在11.8m高程框架柱懸挑的牛腿上，工字鋼最大跨度達(dá)10.875m，大大增加了工字鋼與牛腿的連接難度。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為2b類，混凝土強(qiáng)度等級采用C30，主筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為3級，最大裂縫寬度限值為0.2mm。通過PKPM軟件計算分析以上3種結(jié)構(gòu)體系。

2.3.1 整體式框架結(jié)構(gòu)

橫向框架梁斷面為500mm×1500mm，負(fù)彎矩筋為6Φ25，正彎矩筋為12Φ22，箍筋為4支箍，Φ10＠100/200；縱向框架梁斷面為500mm×1200mm，承受啟閉機(jī)室的外側(cè)2根縱向框架梁負(fù)彎矩筋為9Φ25，正彎矩筋為6Φ25，箍筋為4支箍，Φ8＠100/200；承受啟閉機(jī)設(shè)備荷載的內(nèi)側(cè)2根縱向框架梁負(fù)彎矩筋為15Φ25，正彎矩筋為10Φ25，箍筋為4支箍，Φ8＠100/200；框架柱斷面為650mm×800mm。 主筋22Φ25，箍筋為井字箍，Φ8＠100/200；最大彈性位移角1/562，滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角限值1/550的要求，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)均小于0.5。根據(jù)抗震規(guī)范需驗算罕遇地震作用下薄弱層的彈塑性變形，最大彈塑性位移角1/65，滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50的要求。

2.3.2 懸臂式框架結(jié)構(gòu)

橫向框架梁斷面為500mm×1500mm，負(fù)彎矩筋為16Φ25，正彎矩筋為6Φ25，箍筋為4支箍，Φ10＠100/200；縱向框架梁斷面為500mm×1200mm，承受啟閉機(jī)室的外側(cè)2根縱向框架梁負(fù)彎矩筋為9Φ25， 正彎矩筋為6Φ25， 箍筋為4支箍，Φ8＠100/200；承受啟閉機(jī)設(shè)備荷載的內(nèi)側(cè)2根縱向框架梁負(fù)彎矩筋為15Φ25，正彎矩筋為10Φ25，箍筋為4支箍，Φ8＠100/200；為了把啟閉機(jī)設(shè)備荷載傳遞給縱向框架梁，每孔設(shè)置4根300mm×600mm次梁，負(fù)彎矩筋為4Φ22，正彎矩筋為4Φ25，框架柱斷面為800mm×800mm。 主筋22Φ25，箍筋為井字箍，Φ8＠100/200；最大彈性位移角1/580，滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角限值1/550的要求，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)均小于0.5，最大彈塑性位移角1/66，滿足抗震規(guī)范要求。

2.3.3 簡支結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)共分兩層。第1層為預(yù)制T型梁，2根T型梁承受全部啟閉機(jī)室及啟閉機(jī)室荷載，框架梁斷面為500mm×1600mm，負(fù)彎矩筋為9Φ25，正彎矩筋為12Φ25，箍筋為4支箍，2Φ10＠100／200。第2層為把T型梁荷載傳遞給閘墩的π型架，梁斷面為400mm×600mm，負(fù)彎矩筋為5Φ25，正彎矩筋為6Φ25，箍筋為4支箍，Φ10＠100/200，柱斷面為800mm×800mm。主筋22Φ25，箍筋為井字箍，Φ8＠100/200；最大彈性位移角1/560，滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角限值1/550的要求，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)均小于0.5，最大彈塑性位移角1/62，滿足抗震規(guī)范要求。

3 構(gòu)造措施

3.1 防震縫

本工程屬于露天環(huán)境中現(xiàn)澆整體框架結(jié)構(gòu)，伸縮縫的最大間距為30m。根據(jù)抗震構(gòu)造要求，當(dāng)設(shè)置伸縮縫和沉降縫時，在地震區(qū)其寬度應(yīng)符合防震縫的要求。因此本工程設(shè)置2道70mm寬伸縮縫，將建筑物分成抗震性能完整的3部分，每部分均滿足規(guī)范要求。

3.2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

抗震規(guī)范規(guī)定非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機(jī)電設(shè)備，自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計。填充墻應(yīng)優(yōu)先采用輕質(zhì)墻體材料，應(yīng)沿框架柱全高每隔500mm設(shè)2Φ6拉筋，拉筋伸入墻內(nèi)的長度沿墻全長貫通，墻長大于5m時，墻頂與梁宜有拉結(jié)，墻高超過4m時，墻體半高宜設(shè)置與柱連接且沿墻全長貫通的鋼筋混凝土水平系梁；機(jī)電設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的連接和錨固，應(yīng)使設(shè)備在遭遇設(shè)防烈度地震影響后能迅速恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)電設(shè)備的基座或連接件應(yīng)能將設(shè)備承受的地震作用全部傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)中用于固定機(jī)電設(shè)備的預(yù)埋件、錨固件的部位，應(yīng)采取加強(qiáng)措施，以承受機(jī)電設(shè)備傳給主體結(jié)構(gòu)的地震作用。

4 結(jié)語

PKPM軟件計算分析結(jié)果可以看出，整體式框架結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

（1）水平剛度無限大的樓板與縱橫梁澆筑在一起，整體穩(wěn)定性好。

（2）縱橫向均采用框架梁相連接，承受各方向發(fā)生的地震力，抗震性能好。

（3）每孔4道縱梁，外側(cè)2道承受啟閉機(jī)室荷載，內(nèi)側(cè)2道承受啟閉機(jī)設(shè)備荷載，最終通過框架柱傳到閘墩。

（4）梁柱斷面及配筋，比較經(jīng)濟(jì)。

（5）經(jīng)設(shè)計機(jī)架橋上啟閉機(jī)室使用年限為50a的框架結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性能良好。因此，采用整體式框架結(jié)構(gòu)。

［1］GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB 50011—2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］婁宇.四川汶川5·12地震房屋震害分析及抗震對策建議［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，（8）.