某電站輸水管道橋加固設計研究

林智敏，楊培森，袁 俊

(1.成都大學，四川 成都 610106； 2.四川西南交大土木工程設計有限公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

某水電站位于四川省瀘定縣境內，是磨西河支流燕子溝一級水電站。電站為引水式開發的徑流式電站。電站壩址位于燕子溝與海螺溝交匯處下游80 m處，廠址位于燕子溝與雅家梗河交匯處上游約100 m，壩、廠相距2.3 km。

引水管道跨越燕子溝時，由兩端鎮墩和桁架支撐。桁架長49.4 m，管道內直徑為2.8 m[1]。橋梁總體布置圖如圖1所示，現場圖如圖2所示。

鋼桁架高度為4 m，共兩片主桁架，間距為4.6 m。縱向節間距離為3.05 m。

上弦桿采用4∠200 mm×200 mm×24 mm角鋼組合截面，下弦桿采用4∠200 mm×200 mm×20 mm角鋼組合截面。下橫梁采用Ⅰ600 mm×200 mm×20 mm工字型截面。豎桿、斜桿均采用2∠200 mm×200 mm×16 mm角鋼組合截面。下平縱聯采∠110 mm×110 mm×8 mm角鋼。鋼桁梁所有桿件均采用焊接。橋梁橫斷面圖如圖3所示。

輸水鋼管采用Q345鋼，內徑2.8 m，壁厚16 mm鋼管。鋼管在各個橫梁位置均設置支座，在全跨范圍內設置2個伸縮節。

本橋建設年代較久，原始設計資料缺失，可能存在一定安全隱患，為了保證橋梁運營安全對本橋進行結構驗算，再根據計算結果予以加固。

2 技術標準

1)橋梁結構形式：1×49.4 m鋼桁架橋。

2)設計荷載：滿水狀態，鋼管內水流豎向力61.6 kN/m。

3)橋面寬度：4.6 m。

4)場地環境類別：Ⅰ類。

5)抗震設防烈度為9度，地震動峰值加速度為0.40g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.45 s，抗震設防類別為D類，抗震措施等級為四級。

6)設計安全等級：二級。

7)設計使用年限期：主體結構30 a，可更換部件15 a。

3 結構分析

3.1 計算模型

采用Midas civil 2020有限元軟件建立計算模型。本橋為電站的輸水管道橋，其計算模型與常規橋梁有所不同。由于本橋為桁式結構，自重較輕。而對于上部的滿水鋼管而言，水的重量約是空鋼管加上桁架重量的2倍。且因鋼管具有較大的抗彎剛度，因此鋼管的自重及管內的水流荷載沿全橋的傳遞是極不均勻的，其荷載在伸縮節位置較大，其余位置較小。為反映鋼管及其管內水體重量向鋼桁梁橋傳遞的真實路徑，將鋼桁梁及輸水管道均建立模型，具體如下：

鋼桁梁所有桿件均采用空間梁單元，所有相交的位置采用共節點的方式處理。輸水管道采用空間梁單元，采用彈性連接管道節點與桁架梁的橫梁支承位置節點。在鋼管伸縮節的位置，通過釋放轉角約束的方式釋放其彎矩。在桁架梁的兩端，通過剛性支承模擬橋梁支座。計算模型如圖4所示。

3.2 靜力分析

靜力分析考慮永久荷載和可變荷載兩大基本類型。永久荷載為主要結構自重，包括鋼管及桁架本身的自重。可變荷載有管內水流荷載、溫度作用(均勻升降溫)、風荷載。在計算得到各個單項荷載后，采用承載能力極限狀態的基本組合計算其內力，其中自重的分項系數為1.2，管內水流的分項系數為1.4，溫度作用分項系數為1.4，風荷載作用分項系數為1.1，其中溫度荷載及風荷載應考慮0.75的組合系數[2]。

3.2.1 強度計算

經計算分析，在承載能力極限狀態下，結構大部分桿件強度滿足要求，但跨中位置的下弦桿、跨中位置的下橫梁、橋梁兩端支座附近位置的斜桿和豎桿不滿足強度要求。主要計算結果如表1所示。

表1 強度驗算結果匯總表

3.2.2 剛度驗算

對于輸水管道橋，無專門的剛度驗算要求，因此參考公路鋼橋設計規范進行驗證。經計算水管滿水荷載單項作用下，桁架撓度最大值為53.7 mm，符合限值L/500=99 mm的要求(見圖5)。

3.2.3 穩定計算

結構的穩定計算分析分兩個步驟進行，首先進行整體穩定分析，然后進行局部桿件的穩定分析。

整體穩定性采用Midas civil 2020有限元軟件進行主橋彈性屈曲分析，將自重作為不變荷載，將水流荷載、整體升溫/降溫、風荷載作為可變荷載，計算得到第一階反對稱側傾失穩對應穩定系數為7.22，一般而言，對于該類橋，彈性穩定系數超過4，橋梁在實際狀況下不會發生整體失穩[3]。

第一階側傾失穩形態見圖6。

局部穩定分析應針對受壓桿件進行。根據結構的受力特點，采用雙向偏心受壓構件進行驗算。主要對壓應力較大的上弦桿以及豎桿及斜桿進行穩定分析。計算時考慮結構的長細比的影響，引入相關的構件彎扭失穩整體折減系數以及等效彎矩系數。經分析上弦桿滿足穩定要求，豎桿和斜桿正應力超過材料設計值50%以上，不滿足穩定要求。

3.3 抗震分析

參照《公路橋梁抗震設計規范》相關規定，單跨跨徑不超過150 m的三、四級公路上的特大橋、大橋抗震設防類別為C類，但考慮本橋僅作為水管運輸，不涉及車輛及行人通行，所以根據合同、結構重要性及加固的經濟性，與業主充分溝通協商后，將本橋抗震設防分類取為D類。按一階段抗震設防，在E1地震作用下，本橋的抗震設防標準為：結構總體反應在彈性范圍，基本無損傷。

3.3.1 地震動參數

龔家河水管橋全長為49.4 m，橋址區域地震基本烈度為9度。綜合考慮本橋橋型、跨徑及區域情況，本橋采用多振型反應譜法進行抗震計算分析。本橋抗震計算基本參數如表2所示。

按《公路橋梁抗震設計規范》，本橋為抗震設防烈度為9度地區的橋梁，應同時考慮水平向和豎向地震作用，設計加速度反應譜如圖7,圖8所示[4]。

表2 地震動參數表

3.3.2 抗震計算結果

對原桁架結構進行抗震驗算，地震作用下，最大組合應力為117.9 MPa，小于設計值180 MPa，最大剪應力為46.9 MPa，小于設計值110 MPa。

抗震計算結果表明：在地震作用下，本桁架橋滿足抗震設防目標。

3.4 結果匯總

根據對原橋計算結果分析，在靜力荷載作用下，原桁架橋下弦桿跨中、下橫梁跨中、兩端豎桿、兩端斜桿不滿足要求。其余桿件強度、剛度、穩定性均滿足要求。在地震作用下，本桁架橋滿足抗震設防目標。

4 加固設計

4.1 主要加固措施

根據以上的計算結論，首先需要對不滿足受力要求的下弦桿、跨中下橫梁，兩端豎桿、斜桿進行加固補強。其次，在對原橋結構進行檢查的時候，發現有幾處在構造上存在抗震風險，應予以改造，主要問題如下：

1)根據《公路橋梁抗震設計規范》，本橋抗震措施等級為四級，最小搭接長度為80 cm，原橋搭接長度為70 cm，不滿足規范要求，應對臺帽進行外延處理。

2)在臺帽上未設置阻止梁體側向移動的橫向擋塊，應進行增設。

3)水管直接放置于下橫梁上，側向無抗震擋塊，需在水管與桁架連接處增設鋼擋塊，以防止鋼水管在地震作用下脫離桁架橋[5-6]。

4.2 結構設計

為方便施工，在下弦桿外側增加2道∠160 mm×160 mm×16 mm角鋼，設置范圍為下弦桿全長。對于下橫梁，在鄰近跨中的3道橫梁下翼緣增設300 mm×20 mm鋼板，鋼板長度為下翼緣全長。對于豎桿和斜桿通過鋼板拼接成∠220 mm×180 mm×16 mm角鋼，再與原結構通過角焊縫焊接。結構加強示意圖如圖9所示。

針對鎮墩臺帽搭接長度不足以及其上未設置防震擋塊的問題，通過在原結構上植筋澆筑混凝土的方式，將臺帽延長至90 cm，并在鋼桁梁橫向兩側各增設100 cm高的防震擋塊，如圖10所示。

對于橫梁上方的防震擋塊，采用鋼結構的形式，設置于支座內側，在防震擋塊端面與鋼管支座之間設置橡膠塊以緩沖地震作用。其構造如圖11所示。

5 結語

對原橋進行結構加固后，經驗算各構件均滿足受力要求。此外，本橋還有針對性地增加了抗震措施。加固施工完工后不久，即發生了“9·5瀘定地震”，地震震級6.8級，且本橋正好位于震中磨西鎮。因加固措施得當，本橋未在地震中發生結構破壞，也未發生大的結構變位，保證了橋梁結構的安全。