黃河渠村分洪閘除險加固工程機架橋抗震設計

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(河南黃河勘測設計研究院， 鄭州 450003)

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， 鄭州 450003)

黃河渠村分洪閘機架橋抗震設計是該除險加固工程的主要內容之一。通過對機架橋排架地震作用組合的內力分析以及承載力驗算，得知排架梁、柱受彎承載力滿足設計要求，受剪承載力不滿足設計要求。提出機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； 機架橋； 抗震設計； 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，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=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。

圖1 機架橋排架荷載計算簡圖

3.3 內力分析

3.3.1 重力荷載效應

a.線剛度。

b.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

3.3.2 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

3.3.3 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：

S=γGSGE+γEhSEhk

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

3.4 承載力驗算

3.4.1 排架梁

混凝土強度等級采用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。

3.4.2 排架柱

混凝土強度等級采用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

4 機架橋排架加固

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》(GB 50011—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，與其他加固方法相比較，粘鋼加固具有以下優點：

a.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。

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。

d.粘鋼加固一方面補充了原構件鋼筋的不足，有效提高了原構件的承載力；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，此次排架加固考慮采用外粘鋼板法，鋼板采用Q235鋼，厚度5mm，其外表面應進行防銹蝕處理。根據實際需要，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》(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、柱進行斜截面加固計算。

斜截面受剪承載力采用下式進行計算：

V≤Vco+ψvbfvAsp

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為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為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時意識到：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、解決好構造處理、利用定量計算進行抗震分析、用概念判斷計算的合理性等方面，才能做好工程結構抗震概念設計，這對于防震減災具有深遠的意義。

[1] GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].

[2] GB 50010—2010 混凝土結構設計規范[S].

[3] GB 50367—2006 混凝土結構加固設計規范[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

TV352

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1005-4774(2014)12-0020-04