裴庄节制闸工程机架桥抗震性能分析

庞景兰

（水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津300250）

随着建筑工程技术经济的发展，国家对工程抗震性能提出了越来越高的要求。1966年，邢台地震提出基础深一点，墙体厚一点，屋顶轻一点。1976年唐山地震创造了构造柱和圈梁的形式。1988年澜沧、耿马地震后，明确了小震不坏，中震可修，大震不倒的原则。2008年汶川地震发生后，根据对灾情的调研，修定了建筑抗震设计规范（GB50011—2001，2008年版）。现以裴庄节制闸工程为例，对如何提高机架桥抗震性能进行探讨。

1 工程概况

裴庄节制闸工作闸门采用平面钢闸门。机架桥为启闭机提供工作平台，同时为启闭机室和上下游检修闸门启闭机提供结构支撑。机架桥位于闸墩墩顶，共9孔，闸墩宽1.4m，孔口9m，起止高程为4.6～14m，机架桥高9.4m。

机架桥上布置9台2×400kN启闭机；桥面上启闭机室高4.8m；工作闸门上游和下游分别设置检修门，采用2×100kN移动电动葫芦进行启闭。

由于裴庄节制闸采用平面直升钢闸门，使得机架桥的结构高度较大，有桥面、启闭机、启闭机室等重力荷载，结构的重心较高。机架桥上部工程区设计基本地震加速度值为0.2g，抗震设防烈度为8°，因此对其进行抗震设计是本课题重点研究的问题。

2 结构体系确定

2.1 结构体系分析

根据建筑使用功能要求，本工程有3种结构体系。

2.1.1 整体式框架结构

纵向最大柱距10.875m，共9跨；横向柱距6.4m， 共1跨， 机架桥高9.4m。启闭机室及上下游检修门移动电动葫芦直接作用在12.5m高程框架梁上，见图1。

2.1.2 悬臂式框架结构

纵向最大柱距10.875m，共9跨；横向柱距2.5m， 共1跨， 机架桥高9.4m。为满足管理、使用、启闭机检修维护所需空间，14m高程纵横梁需做成悬挑结构，承担上部启闭机室；上下游检修门移动电动葫芦则作用在10.3m高程框架柱悬挑的牛腿上，见图2。

2.1.3 简支结构

纵向最大柱距10.875m，共9跨；横向柱距2.5m， 共1跨， 机架桥高7.8m，其上简支设置1.6m高钢筋混凝土T型梁，T型梁上安设轻质彩钢板启闭机室，上下游检修门移动电动葫芦直接作用在11.8m高程框架梁上，见图3。

2.2 结构体系特点

2.2.1 整体式框架结构

（1）优点。 14m高程纵、横向均设有框架梁，纵横梁间用水平刚度无限大的现浇钢筋混凝土楼板相联。因此，整体刚度好、抗震性能好；外侧两道纵梁承受启闭机室重量，中间2道纵梁承受启闭机荷载，受力分工明确；每孔在4道纵梁间加设2道横梁，使上下游检修门移动电动葫芦工字钢跨度控制在4m之内。

（2）缺点。框架较高，抬高了电动葫芦的起升高度，增加了钢丝绳的长度。

2.2.2 悬臂式框架结构

（1）优点。14m高程纵、横向均设有框架梁，纵横梁间用水平刚度无限大的现浇钢筋混凝土楼板相联，根据工艺要求在横向框架中间高程设置1道连系梁。因此，整体刚度好，外侧2道纵梁承受启闭机室重量，中间两道纵梁承受启闭机荷载，受力分工明确。

（2）缺点。整个启闭机室作用在悬挑结构上，悬挑梁长度1.95m，远远大于柱距30%，属于抗震规范中平面不规则类型，不利于抗震；上下游检修门移动电动葫芦则作用在10.3m高程框架柱悬挑的牛腿上，工字钢最大跨度达10.875m，大大增加了工字钢与牛腿的连接难度。

2.2.3 简支结构

（1）优点。由于T型梁可以提前预制，避免了现场梁、板的模板支设，可以缩短工期。

（2）缺点。14m高程预制T型梁简支在梁上，使下部框架没有纵梁连接。因此，整体刚度不好；中间2道纵梁承受启闭机荷载，启闭机室作用在T型梁的翼缘上，只能采用轻型材料，耐久性能较差；启闭机及启闭机室所有荷载都通过预制T型梁传到下部柱上，造成竖向抗侧力构件不连续，属于抗震规范中竖向不规则类型，不利于抗震；上下游检修门移动电动葫芦则作用在11.8m高程框架柱悬挑的牛腿上，工字钢最大跨度达10.875m，大大增加了工字钢与牛腿的连接难度。

2.3 结构设计

本工程混凝土结构的环境类别为2b类，混凝土强度等级采用C30，主筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。结构构件的裂缝控制等级为3级，最大裂缝宽度限值为0.2mm。通过PKPM软件计算分析以上3种结构体系。

2.3.1 整体式框架结构

横向框架梁断面为500mm×1500mm，负弯矩筋为6Φ25，正弯矩筋为12Φ22，箍筋为4支箍，Φ10＠100/200；纵向框架梁断面为500mm×1200mm，承受启闭机室的外侧2根纵向框架梁负弯矩筋为9Φ25，正弯矩筋为6Φ25，箍筋为4支箍，Φ8＠100/200；承受启闭机设备荷载的内侧2根纵向框架梁负弯矩筋为15Φ25，正弯矩筋为10Φ25，箍筋为4支箍，Φ8＠100/200；框架柱断面为650mm×800mm。 主筋22Φ25，箍筋为井字箍，Φ8＠100/200；最大弹性位移角1/562，满足抗震规范规定的弹性层间位移角限值1/550的要求，楼层屈服强度系数均小于0.5。根据抗震规范需验算罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形，最大弹塑性位移角1/65，满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值1/50的要求。

2.3.2 悬臂式框架结构

横向框架梁断面为500mm×1500mm，负弯矩筋为16Φ25，正弯矩筋为6Φ25，箍筋为4支箍，Φ10＠100/200；纵向框架梁断面为500mm×1200mm，承受启闭机室的外侧2根纵向框架梁负弯矩筋为9Φ25， 正弯矩筋为6Φ25， 箍筋为4支箍，Φ8＠100/200；承受启闭机设备荷载的内侧2根纵向框架梁负弯矩筋为15Φ25，正弯矩筋为10Φ25，箍筋为4支箍，Φ8＠100/200；为了把启闭机设备荷载传递给纵向框架梁，每孔设置4根300mm×600mm次梁，负弯矩筋为4Φ22，正弯矩筋为4Φ25，框架柱断面为800mm×800mm。 主筋22Φ25，箍筋为井字箍，Φ8＠100/200；最大弹性位移角1/580，满足抗震规范规定的弹性层间位移角限值1/550的要求，楼层屈服强度系数均小于0.5，最大弹塑性位移角1/66，满足抗震规范要求。

2.3.3 简支结构

结构共分两层。第1层为预制T型梁，2根T型梁承受全部启闭机室及启闭机室荷载，框架梁断面为500mm×1600mm，负弯矩筋为9Φ25，正弯矩筋为12Φ25，箍筋为4支箍，2Φ10＠100／200。第2层为把T型梁荷载传递给闸墩的π型架，梁断面为400mm×600mm，负弯矩筋为5Φ25，正弯矩筋为6Φ25，箍筋为4支箍，Φ10＠100/200，柱断面为800mm×800mm。主筋22Φ25，箍筋为井字箍，Φ8＠100/200；最大弹性位移角1/560，满足抗震规范规定的弹性层间位移角限值1/550的要求，楼层屈服强度系数均小于0.5，最大弹塑性位移角1/62，满足抗震规范要求。

3 构造措施

3.1 防震缝

本工程属于露天环境中现浇整体框架结构，伸缩缝的最大间距为30m。根据抗震构造要求，当设置伸缩缝和沉降缝时，在地震区其宽度应符合防震缝的要求。因此本工程设置2道70mm宽伸缩缝，将建筑物分成抗震性能完整的3部分，每部分均满足规范要求。

3.2 非结构构件

抗震规范规定非结构构件，包括非结构构件和机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。填充墙应优先采用轻质墙体材料，应沿框架柱全高每隔500mm设2Φ6拉筋，拉筋伸入墙内的长度沿墙全长贯通，墙长大于5m时，墙顶与梁宜有拉结，墙高超过4m时，墙体半高宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁；机电设备与主体结构应有可靠的连接和锚固，应使设备在遭遇设防烈度地震影响后能迅速恢复运转，机电设备的基座或连接件应能将设备承受的地震作用全部传递到主体结构上，主体结构中用于固定机电设备的预埋件、锚固件的部位，应采取加强措施，以承受机电设备传给主体结构的地震作用。

4 结语

PKPM软件计算分析结果可以看出，整体式框架结构具有明显的优势。

（1）水平刚度无限大的楼板与纵横梁浇筑在一起，整体稳定性好。

（2）纵横向均采用框架梁相连接，承受各方向发生的地震力，抗震性能好。

（3）每孔4道纵梁，外侧2道承受启闭机室荷载，内侧2道承受启闭机设备荷载，最终通过框架柱传到闸墩。

（4）梁柱断面及配筋，比较经济。

（5）经设计机架桥上启闭机室使用年限为50a的框架结构，建筑结构的耐久性能良好。因此，采用整体式框架结构。

［1］GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准［S］.

［2］GB 50010—2002，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB 50011—2001，建筑抗震设计规范［S］.

［4］娄宇.四川汶川5·12地震房屋震害分析及抗震对策建议［J］.建筑结构，2008，（8）.