黃河渠村分洪閘除險加固工程機架橋抗震設計

胡俊玲，趙彥彥

(河南黃河勘測設計研究院，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

黃河渠村分洪閘位于河南省濮陽縣境內，相應左岸大堤樁號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:當黃河上游發生特大洪水時，向北金堤滯洪區分洪，確保黃河下游防洪安全。

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

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

2 抗震設防目標與等級

我國現階段工程結構采用三個水準的抗震設防目標，即:小震不壞—當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用;中震可修—當遭受相當于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發生損壞，但經一般修理仍可繼續使用;大震不倒—當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

渠村分洪閘位于河南省濮陽縣，抗震設防烈度為7度，機架橋為鋼筋混凝土排架結構，抗震等級為三級。

3 機架橋排架結構分析

選取渠村分洪閘機架橋中墩排架進行結構分析，主要考慮抗震設防烈度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=1400×500mm，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=1400×500mm，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、啟閉機梁傳遞的集中荷載以及地震荷載等。啟閉機梁傳遞的集中荷載包括屋面重量、外墻自重、設備自重、起重力、翼板自重、縱梁自重等。

經計算，排架梁自重qk=17．5kN/m，集中荷載 Pk=1342．7kN，水平地震作用標準值 FEK=338kN。機架橋排架荷載計算簡圖，見圖1。

3.3 內力分析

(1)重力荷載效應

①線剛度

圖1 機架橋排架荷載計算簡圖

②分配系數

采用力矩分配法，計算重力荷載作用下排架彎矩、剪力結果如圖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)

(2)水平地震作用效應

采用反彎點法，計算水平地震作用下排架彎矩、剪力結果如圖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)內力組合

結構構件的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合，應按下式計算:

式中:

S—結構構件內力組合的設計值;

γG—重力荷載分項系數，采用1．2;

γEh—水平地震作用分項系數，采用1．3;

SGE—重力荷載代表值的效應;

SEhk—水平地震作用標準值的效應。

對于排架梁、柱內力組合的設計值調整后，成果見表1。

表1 機架橋排架梁、柱內力組合設計值成果表

3.4 承載力驗算

(1)排架梁

混凝土強度等級采用 C15，梁截面 bh=1400500mm。主筋上層5φ28、下層5φ22，箍筋φ8@300。

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

(2)排架柱

混凝土強度等級采用 C15，柱截面 bh=1400500mm。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行驗算。

機架橋排架承載力驗算結果如表2所示，可知排架梁、柱受彎承載力滿足設計要求，受剪承載力不滿足設計要求。

表2 機架橋排架承載力驗算結果表

4 機架橋排架加固

4.1 排架加固方法

綜上所述，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，以增強節點核心的抗震性能。排架柱不僅抗剪承載力不足，且柱端箍筋原設計為 φ8@300mm，也不滿足《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)中抗震構造措施要求，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用于混凝土結構加固工程，與其它加固方法相比較，粘鋼加固具有以下優點:

(1)基本不增加構件及結構的荷載，不改變原設計的結構體系和受力形式。

(2)膠粘劑硬化時間快，施工周期短，基本不影響正常運行。

(3)膠粘劑強度高于混凝土本體強度，可以使加固體與原構件共同工作，受力均勻。

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

因此，本次排架加固考慮采用外粘鋼板法，鋼板采用Q235鋼，厚度5mm，其外表面應進行防銹蝕處理。根據實際需要，外粘鋼板加工制作型式:排架柱采用“］”型，排架梁采用“」”型。粘貼鋼板外表面抹M15水泥砂漿防護層，厚度3cm。為加強粘貼鋼板與混凝土構件的連接，采用化學錨栓M12×145進行固定。

膠粘劑必須采用專門配制的改性環氧樹脂膠粘劑，其安全性檢驗指標應符合《混凝土結構加固設計規范》(GB50367—2006)中要求。

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、柱進行斜截面加固計算。

斜截面受剪承載力采用下式進行計算:

式中:

Vco—加固前構件的斜截面承載力;

ψvb—與鋼板的粘貼方式及受力條件有關的抗剪強度折減系數，取0．58;

fv—加固鋼板的抗剪強度設計值，Q235鋼取125N/mm2;

Asp—受剪鋼板的截面面積。

經計算，排架梁受剪鋼板的截面面積Asp=139mm2，兩側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Asp=2001mm2，兩側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 結論

工程結構的抗震設計，是以現有科學水平和經濟條件為前提的。目前，對于地震規律性的認識還很不足，人們在總結歷次地震災害經驗中意識到:一個合理的抗震設計，在很大程度上取決于良好的“抗震概念設計”。抗震概念設計是指一些在計算或在規范中難以作出具體規定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，作出判斷，以便采取相應的措施。例如結構破壞機理、力學概念以及由震害現象提供的經驗等，這些概念及經驗需貫穿在方案確定及結構布置過程中，也體現在計算過程或計算結果的處理中。

對于地震區的工程結構設計，一般包括抗震概念設計、結構計算和抗震構造措施三方面。通過執行抗震設計規范中的各項規定，以保證抗震概念設計的完成;通過遵循抗震概念設計的原則，使建筑物具有可靠的抗震性能。只有做到結構功能與外部條件一致、充分利用先進的設計理念、發揮結構的功能并取得與經濟的協調、更好地解決構造處理、利用定量的計算進行抗震分忻、用概念判斷計算的合理性等方面，才能搞好工程結構抗震概念設計，對于防震減災具有深遠的意義。

［1］GB50011—2010．建筑抗震設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［2］GB50010—2010．混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［3］GB50367—2006．混凝土結構加固設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2006．