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，河南 郑州 450003)

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本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=1400×500mm，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=1400×500mm，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。

3.3 内力分析

(1)重力荷载效应

①线刚度

图1 机架桥排架荷载计算简图

②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)

(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)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:

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表

3.4 承载力验算

(1)排架梁

混凝土强度等级采用 C15，梁截面 bh=1400500mm。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。

(2)排架柱

混凝土强度等级采用 C15，柱截面 bh=1400500mm。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表

4 机架桥排架加固

4.1 排架加固方法

综上所述，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》(GB50011—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，与其它加固方法相比较，粘钢加固具有以下优点:

(1)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。

(2)胶粘剂硬化时间快，施工周期短，基本不影响正常运行。

(3)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。

(4)粘钢加固一方面补充了原构件钢筋的不足，有效提高原构件的承载力;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，本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: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》(GB50367—2006)中要求。

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:

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Asp=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Asp=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中意识到: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、更好地解决构造处理、利用定量的计算进行抗震分忻、用概念判断计算的合理性等方面，才能搞好工程结构抗震概念设计，对于防震减灾具有深远的意义。

［1］GB50011—2010．建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［2］GB50010—2010．混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］GB50367—2006．混凝土结构加固设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2006．