黄河渠村分洪闸除险加固工程机架桥抗震设计

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(河南黄河勘测设计研究院， 郑州 450003)

黄河渠村分洪闸除险加固工程机架桥抗震设计

胡俊玲，赵彦彦

(河南黄河勘测设计研究院， 郑州 450003)

黄河渠村分洪闸机架桥抗震设计是该除险加固工程的主要内容之一。通过对机架桥排架地震作用组合的内力分析以及承载力验算，得知排架梁、柱受弯承载力满足设计要求，受剪承载力不满足设计要求。提出机架桥排架抗震加固措施采用外粘钢板法，并对加固后排架梁、柱进行斜截面承载力计算，保证工程具有可靠的抗震性能。

黄河渠村分洪闸； 机架桥； 抗震设计； 承载力； 外粘钢板法

1 工程概况

黄河渠村分洪闸位于河南省濮阳县境内，相应左岸大堤桩号47+776～48+525处，工程始建于1976年，属1级建筑物。工程主要作用为：当黄河上游发生特大洪水时，向北金堤滞洪区分洪，确保黄河下游防洪安全。

渠村分洪闸设计分洪流量10000m3/s，为钢筋混凝土灌注桩基开敞式结构，共56孔，分离式底板。闸墩顶设排架，自上游至下游依次布置机架桥、公路桥和小铁路桥，其中小铁路桥已废弃。采用预应力钢筋混凝土梁板式闸门。机架桥上布设2×80t固定卷扬式启闭机。

该工程运行多年以来未曾进行改扩建和除险加固，近期通过对渠村分洪闸进行安全鉴定，该闸存在机架桥、公路桥不满足现行抗震设计要求，启闭设备已超过规定折旧年限、不能保证正常运行、电气设备严重老化等问题，被评定为三类闸。因此，需对该水闸进行除险加固，其中机架桥抗震设计为工程关键性技术难题。

2 抗震设防目标与等级

我国现阶段工程结构采用三个水准的抗震设防目标，即：小震不坏——当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；中震可修——当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般修理仍可继续使用；大震不倒——当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

渠村分洪闸位于河南省濮阳县，抗震设防烈度为7度，机架桥为钢筋混凝土排架结构，抗震等级为三级。

3 机架桥排架结构分析

选取渠村分洪闸机架桥中墩排架进行结构分析，主要考虑抗震设防烈度7度时的地震作用组合工况。

3.1 基本条件

排架柱截面尺寸b×h=1400mm×500mm，截面刚度EIc=3.21×105kN·m，柱计算高度Hc=4.6m。

排架梁截面尺寸b×h=1400mm×500mm，截面刚度EIb=3.21×105kN·m，梁计算跨度l0=2.9m。

3.2 荷载计算

排架所受的荷载包括排架的自重、启闭机梁传递的集中荷载以及地震荷载等。启闭机梁传递的集中荷载包括屋面重量、外墙自重、设备自重、起重力、翼板自重、纵梁自重等。

经计算，排架梁自重qk=17.5kN/m，集中荷载Pk=1342.7kN，水平地震作用标准值FEK=338kN。机架桥排架荷载计算简图见图1。

图1 机架桥排架荷载计算简图

3.3 内力分析

3.3.1 重力荷载效应

a.线刚度。

b.分配系数。

采用力矩分配法，计算重力荷载作用下排架弯矩、剪力结果如图2、图3所示。

图2 重力作用弯矩图单位：kN·m

图3 重力作用剪力图单位：kN

3.3.2 水平地震作用效应

采用反弯点法，计算水平地震作用下排架弯矩、剪力结果如图4、图5所示。

图4 水平地震作用弯矩图单位：kN·m

图5 水平地震作用剪力图单位：kN

3.3.3 内力组合

结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合，应按下式计算：

S=γGSGE+γEhSEhk

式中S——结构构件内力组合的设计值；

γG——重力荷载分项系数，采用1.2；

γEh——水平地震作用分项系数，采用1.3；

SGE——重力荷载代表值的效应；

SEhk——水平地震作用标准值的效应。

对于排架梁、柱内力组合的设计值调整后，成果见表1。

表1 机架桥排架梁、柱内力组合设计值成果

3.4 承载力验算

3.4.1 排架梁

混凝土强度等级采用C15,梁截面b×h=1400mm×500mm。主筋上层5φ28、下层5φ22，箍筋φ8@300。

排架梁端弯矩、剪力设计值较跨中大，此处对梁端正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力进行验算。

3.4.2 排架柱

混凝土强度等级采用C15,柱截面b×h=1400mm×500mm。对称主筋3φ19+2φ22，箍筋φ8@300。此处对柱底端正截面受弯承载力、斜截面受剪承载力进行验算。

机架桥排架承载力验算结果如表2所示，可知排架梁、柱受弯承载力满足设计要求，受剪承载力不满足设计要求。

表2 机架桥排架承载力验算结果

4 机架桥排架加固

4.1 排架加固方法

由于排架梁受剪承载力略有不足，考虑仅对排架梁端采取加固措施，加固长度为750mm，以增强节点核心的抗震性能。排架柱不仅抗剪承载力不足，且柱端箍筋原设计为φ8@300mm，也不满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中抗震构造措施要求，因此，考虑沿排架柱高度范围全长加固。

近年来，粘钢加固方法被广泛应用于混凝土结构加固工程，与其他加固方法相比较，粘钢加固具有以下优点：

a.基本不增加构件及结构的荷载，不改变原设计的结构体系和受力形式。

b.胶粘剂硬化时间快，施工周期短，基本不影响正常运行。

c.胶粘剂强度高于混凝土本体强度，可以使加固体与原构件共同工作，受力均匀。

d.粘钢加固一方面补充了原构件钢筋的不足，有效提高了原构件的承载力；另一方面还通过大面积的钢板粘贴，有效地保护了原构件的混凝土，限制裂缝的开展，提高了原构件的刚度和抗裂能力。

因此，此次排架加固考虑采用外粘钢板法，钢板采用Q235钢，厚度5mm，其外表面应进行防锈蚀处理。根据实际需要，外粘钢板加工制作型式为：排架柱采用“]”型，排架梁采用“」”型。粘贴钢板外表面抹M15水泥砂浆防护层，厚度3cm。为加强粘贴钢板与混凝土构件的连接，采用化学锚栓M12×145进行固定。

胶粘剂必须采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，其安全性检验指标应符合《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2006)中的要求。

4.2 排架加固计算

排架梁、柱的正截面受弯承载力可满足要求，因此，仅考虑对排架梁、柱进行斜截面加固计算。

斜截面受剪承载力采用下式进行计算：

V≤Vco+ψvbfvAsp

式中Vco——加固前构件的斜截面承载力；

ψvb——与钢板的粘贴方式及受力条件有关的抗剪强度折减系数，取0.58；

fv——加固钢板的抗剪强度设计值，Q235钢取125N/mm2；

Asp——受剪钢板的截面面积。

经计算，排架梁受剪钢板的截面面积为139mm2，两侧受剪钢板的截面宽度为500mm，则受剪钢板的厚度为0.14mm；排架柱受剪钢板的截面面积为2001mm2，两侧受剪钢板的截面宽度为500mm，则受剪钢板的厚度为2mm。

为安全起见，并考虑施工、制作等因素，粘贴钢板厚度取5mm。

5 结 论

工程结构的抗震设计，是以现有科学水平和经济条件为前提的。目前，对于地震规律性的认识还很不足，人们在总结历次地震灾害经验时意识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“抗震概念设计”。抗震概念设计是指一些在计算或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如：结构破坏机理、力学概念以及由震害现象提供的经验等，这些概念及经验需贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算过程或计算结果的处理中。

对于地震区的工程结构设计，一般包括抗震概念设计、结构计算和抗震构造措施三方面。通过执行抗震设计规范中的各项规定，以保证抗震概念设计的完成；通过遵循抗震概念设计的原则，使建筑物具有可靠的抗震性能。只有做到结构功能与外部条件一致、充分利用先进的设计理念、发挥结构的功能并取得与经济的协调、解决好构造处理、利用定量计算进行抗震分析、用概念判断计算的合理性等方面，才能做好工程结构抗震概念设计，这对于防震减灾具有深远的意义。

[1] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].

[2] GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50367—2006 混凝土结构加固设计规范[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