水闸除险加固工程设计-水工结构安全复核

(一)计算说明

1.结构承载力复核原则

(1)在不改变工程现状结构形式和截面尺寸的前提下,考虑不同运行工况和运行管理要求,对组成闸室的主要构件进行承载力复核。

(2)各部位混凝土标号的采用,则采用检测推定的强度标号。混凝土质量检测推定标号与原设计混凝土标号比较见表3-13。

表3-13　混凝土检测标号与原设计混凝土标号比较

由表3-13知,混凝土检测强度均大于各部位原设计混凝土强度,故在承载力复核中采用混凝土推定强度,详见表3-13。

2.原设计材料强度指标

(1)混凝土设计强度见表3-14。

表3-14　混凝土设计强度　单位:N/mm2

(2)钢筋强度原设计值:

1)Ⅰ级(3号)钢筋强度设计值:

设计强度250.0N/mm2。

弹性模量2.1×105N/mm2。

2)低合金(44Mn2Si冷拉)抗拉标准强度750N/mm2。

3)Ⅱ级(冷16锰)钢筋抗拉标准强度450N/mm2。

(3)浆砌石强度设计值。

50号水泥砂浆砌石:弯曲抗压1.6N/mm2;

弯曲抗拉0.15N/mm2。

80号水泥砂浆砌石:弯曲抗压2.0N/mm2;

弯曲抗拉0.2N/mm2。

3.本次复核采用SL/T191—96《水工混凝土结构设计规范》,材料强度设计值的确定

(1)混凝土强度设计值。根据SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》条文说明第3.1.2条,将原设计混凝土强度设计值换算成SL/T191—96混凝土强度设计值,换算结果见表3-15。

(2)钢筋强度设计值。根据原钢筋强度设计值换算成SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》设计值,见表3-16。

表3-15　混凝土强度设计值　单位:N/mm2

表3-16　钢筋强度设计值　单位:N/mm2

(二)机架桥承载能力复核

为运行管理方便,1998年管理单位在原机架桥上增设了轻型结构启闭机房,本核算在此基础上进行,以启闭机正常运行为控制情况。

1.次梁

启闭机处次梁为两端固结在主梁上的固端梁,其截面尺寸为b×h=0.3m×0.7m。启闭机地脚螺栓设在主梁上,作用在次梁上的荷载主要是其自重和人群荷载。经验算其承载能力满足要求。

2.悬臂梁

悬臂梁长1.24m,根部截面尺寸b×h=0.2m×0.5m,因1998年增设机房,在梁上增加了荷载,故对其进行承载能力复核。该梁实配216,As=4.02cm2。

(1)荷载计算。作用在悬臂梁上的荷载计算见表3-17。

表3-17　荷载计算表

(2)正截面承载力复核:

计算公式:

式中 M——考虑结构重要系数和设计状况系数后的弯矩设计值;

fc——混凝土轴心抗压强度设计值;

γd——钢筋混凝土结构的结构系数;

As、A′s——纵向受拉及受压钢筋的截面面积;

h0——截面的有效高度;

b——矩形截面的宽度;

a′s——受压区钢筋合力点至受压区边缘的距离;

f′y——受压钢筋的设计强度;

x——混凝土受压区计算高度。

经计算悬臂梁根部正截面抗弯能力为R=40.9kN·m,大于荷载效应M=14.05kN·m,满足强度要求。

3.主梁

主梁为简支T 形梁结构,翼缘宽2.4m,腹板宽0.3m,梁高1.2m,跨中实配纵向钢筋832和Ⅱ级钢筋216;斜截面抗剪实配钢筋为:箍筋双肢φ8、弯起筋232。

(1)荷载计算:作用在主梁上的荷载计算见表3-18。

表3-18　主梁荷载计算表

(2)内力计算。经计算荷载效应标准值为:

(3)正截面受弯承载能力复核:

计算公式采用式(3-9)、式(3-10),按构件现状尺寸和实际配筋量计算的跨中截面抗弯能力为:大于荷载效应M=1082.5kN·m,满足承载能力要求。

(4)斜截面受剪承载能力复核。计算公式:

式中 V——剪力设计值;

fc——混凝土轴心抗压强度设计值;

fyv——箍筋抗拉强度设计值;

Asv——同一截面内箍筋总截面面积;

S——箍筋间距;

αs——弯起钢筋与构件轴线的夹角;

Asb——弯起钢筋截面面积。

按现状结构尺寸和实际配置的箍筋和弯起钢筋计算得支座处截面抗剪能力为548kN＞488.9kN。

斜截面结构抗力大于荷载效应,抗剪强度满足要求,无需加固。

(5)机架桥主梁裂缝复核。按正常使用极限状态对其裂缝开展宽度进行验算,并按荷载的短期组合和长期组合分别验算,其计算公式为

上二式中 α1——考虑构件受力特征的系数;

α2——考虑钢筋表面形状的系数;

α3——考虑荷载长期作用影响的系数;

C——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边距离;

d——钢筋直径;

ρte——纵向受拉钢筋有效配筋率;

σss、σsl——按荷载效应的短期组合及长期组合计算的构件纵向受拉钢筋应力。

主梁按两端简支考虑,经计算,其Mmax=1082.5kN·m,Vmax=488.9kN。根据其现有配筋,按式 (3-9)～式 (3-11)计算,其实际承载能力M=1227kN·m,V=548kN。均满足要求。

主梁裂缝开展宽度按式(3-12)和式(3-13)计算。

对于短期组合:ωmax=0.21mm＜[ω允]=0.25mm;

对于长期组合:ωmax=0.21mm＜[ω允]=0.25mm。

均满足要求。

4.机架桥墩承载能力复核

机架桥墩为下端固结,上端自由的构件,顺水流向和垂直直流向截面尺寸分别为3.0m 和1.5m,高5.5m,实配竖向受力钢筋(Ⅰ级)为816间距0.4m。

桥墩荷载组合为基本组合和偶然组合。基本组合计算条件为,闸上挡水位55.0m,单侧闸门启闭,其荷载组合为结构自重、设备重、单侧启闭力和人群荷载;偶然组合为正常运行遇Ⅸ度地震,计算条件为两侧闸门不启闭,其荷载组合为结构自重、设备重、地震水平和竖向惯性力。

以上两种荷载组合以正常运行遇地震情况为最不利控制情况。本次承载力复核仅对该种情况垂直水流向进行复核。

(1)内力计算。地震惯性力采用拟静力法,沿建筑物高度作用于质点i的地震惯性力代表值按下式计算:

图3-2　桥墩内力标准值

(a)M 图;(b)N 图

上二式中 ξ——地震效应折减系数,ξ=0.25;

Gei——集中在质点i的重力作用标准值;

αi——质点i 的动态分布系数;

g——重力加速度;

ah——水平向设计地震加速度代表值, 采用0.35g。

经计算,桥墩内力标准值见图3-2。

桥墩根部弯矩:Mk=3376.4kN·m;

轴力:Nk=1164.3kN

(2)承载能力复核。按构件现状尺寸和实配钢筋量计算的构件抗压承载力为:

以上式中 γd——结构系数,γd=1.2;

ψ——设计状况系数,偶然状况取0.85;

fc——混凝土抗压强度设计值;

f′y——钢筋抗拉强度设计值;

As、A′s——配置在远离或靠近轴向力一侧的钢筋截面面积;

η——考虑挠曲影响的轴向力偏心距增大系数;

e——轴向力作用点至受拉边或受压较小边钢筋合力点之间的距离;(www.xing528.com)

e0——轴向力对截面重心的偏心距;

σs——受拉边或受压较小边钢筋的应力:

当ξ≤ξb时,称为大偏心受压构件,此时取σs=fy,ξ=x/h0;

当ξ＞ξb时,称为小偏心受压构件;

as——受拉区钢筋合力点至受拉区边缘的距离;

a′s——受压区钢筋合力点至受压区边缘的距离;

x——混凝土受压区计算高度。

经计算,现状截面抗力为

不满足强度要求,需进行加固。

(三)闸墩承载能力复核

1.中墩

中墩顺水流向长24.0m,厚1.5m,墩高11.0m,墩根部实配竖向受力Ⅰ级钢筋每米墩长522,间距0.2m;闸墩每侧各实配辐射钢筋1422,钢筋型号为低合金44Mn2Si(拉拔)Ⅳ级钢筋;闸门支座牛腿实配受拉Ⅰ级钢筋422。

(1)计算情况说明。按承载能力极限状态对闸墩进行复核。荷载效应组合分基本组合和偶然组合,基本组合分正常运行和检修两种情况,正常运行情况计算条件为闸上正常蓄水位55.0m,闸下水位平闸底板,其荷载组合为:结构 (包括设备)自重、墩前水压力、弧门水推力、人群荷载等;检修情况计算条件为闸前蓄水位55.0m,一侧工作闸门挡水,另一侧检修闸门挡水,闸下水位平闸底板。其荷载组合为结构自重、墩前水压力、人群荷载、弧门推力、检修门水压力;偶然组合计算条件,闸前挡水位55.0m 遇Ⅸ度地震,荷载组合:正常运行情况加地震惯性力。

(2)闸墩应力计算。计算采用通用结构分析软件ALGORFEAS (SuperSAP96),首先建立有限元动力分析模型,然后对其进行静力分析,模态分析以及地震动力分析。地震水平加速度峰值0.35g。

基本荷载包括:作用在牛腿上的集中力;作用在闸前底板和闸墩的静水压力;机架桥面荷载;机房面荷载;交通桥面荷载。

1)计算过程。用ViziCad模块建立有限元模型,首先使用ALGORFEAS中的有限元专用CAD 系统ViziCad构造闸墩的有限元分析模型。中墩模型共包括4640 个有限单元和7255个节点,大部分单元为有利于提高计算效率的四边形单元,单元宽度在0.5～1.0m 之间。三角形单元主要分布在弧形闸门附近及集中力作用处的局部加密网格。

2)基本规定。坐标方向取铅直向为y 轴,顺水流方向为x 轴,垂直于水流方向为z轴;计算结果正值为拉应力,负值为压应力。

考虑软件应用范围限制,未考虑地基单元,仅对闸墩闸底板建模,并约束底板底面,在此条件下进行静力、动力分析。

使用SSAP0计算模块进行线性静力结构分析,得出静荷载作用下模型的响应 (位移和应力);使用SSAP1计算模块进行结构动力模态分析,得出模型的前三阶振型及自振频率;使用频率响应谱分析程序Resonate产生频率响应谱文件并将谱数据替换为规范谱数据,此响应谱文件与SSAP1得到的数据文件共同作为下一步使用SSAP3计算模块进行动力分析的前处理文件。使用SSAP3计算模块进行响应谱分析,得出地震作用下模型的响应。各种计算情况下闸墩应力计算成果见表3-19。

(3)闸墩承载力复核。根据SUP96有限元计算得闸墩应力成果分析,在闸墩厚度范围内截面应力图形为非线性分布,故按非杆件体系钢筋混凝土结构进行承载力复核。截面应力图形采用计算截面的平均应力图形。计算公式采用SL/T191—96 规范附录式(H1):

式中 T——由截面设计值确定的弹性总拉力,T=A·b。在此,A 为弹性应力图形中主拉应力图形总面积,b为结构截面面积;

Tc——混凝土承担的拉力,Tc=Act·b,在此,Act为弹性应力图形中主拉应力值小于混凝土轴心抗拉强度设计值ft的图形面积;

fy——钢筋受拉强度设计值;

γd——结构系数,γd=1.2;

As——受拉钢筋截面面积。

表3-19　中墩强度复核成果表

闸墩根部在各种运行工况下承载能力复核成果见表3-19。

由表3-19知,闸墩根部在正常运行和检修情况结构抗力值均大于荷载效应值,强度满足要求,而在地震情况结构抗力值422.5kN,小于荷载效应值600kN,不满足抗震要求,所以闸墩根部需要加固处理。

(4)弧门支座承载力复核。弧门支座为钢筋混凝土矩形结构,支座宽4.0m,高2.95m,支座推力作用点距闸墩边缘0.435m,实配纵向受力钢筋422。按承载能力极限状态对门座进行承载能力复核,并按基本结合荷载效应和偶然组合荷载效应对牛腿进行承载能力复核。

1)基本组合荷载效应。弧门推力设计值计算:

计算条件为闸前挡水位55.0m,闸后水位平闸底板,水推力由净水压力和风浪压力组成,经计算水推力为F=3060kN。

门座承载能力复核按下式计算:

式中 F——闸墩受一侧弧门支座推力的设计值;

a——弧门推力作用点至闸墩边缘的距离;

As——纵向受力钢筋的总面积;

h0——门座有效高度。

根据现有配筋,计算得,门座的承载能力为2752kN,小于3060kN,不满足要求。

2)偶然组合荷载效应。弧门推力设计值计算:

计算条件为闸前挡水位55.0m,闸后水位平闸底板,遇Ⅸ度地震,水推力由净水压力和动水压力组成,经计算水推力为F=3342kN。

门座承载能力复核按下式计算:

式中 ψ——设计状况系数,对偶然组合为0.85。

计算得,现有承载能力为2752kN,小于ψF=2841kN,不满足要求。

(5)闸墩辐射筋承载力复核。按承载能力极限状态对闸墩辐射筋进行承载能力复核,并按基本组合荷载效应和偶然组合荷载效应考虑,其中基本组合分正常挡水和一侧工作门挡水,一侧检修两种情况。

1)基本组合。荷载效应:

支座推力设计值计算:平行闸墩一侧水推力F=3060kN。

承载能力复核:

根据现有配筋,对其承载能力进行复核,按以下公式进行:

式中 F——闸墩一侧弧门支座推力设计值;

fy——受拉钢筋强度设计值;

Asi——闸墩一侧局部受拉有效范围内第i根局部受拉钢筋的截面面积;

θi——第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角;

e0——弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距;B′0——受拉边局部受拉钢筋中心与闸墩另一边的距离。

式(3-22)用于正常挡水情况,式(3-23)用于一侧工作门挡水,一侧检修情况。

根据SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》规定,在钢筋混凝土结构中,轴心受拉和小偏心受拉钢筋抗拉强度设计值大于310N/mm2时,仍应按310N/mm2取用。该工程闸墩辐射钢筋实配Ⅳ级(低合金冷拔)钢筋,原设计值为750N/mm2,本次承载力复核钢筋抗拉强度设计值仍取用310N/mm2。

经计算,正常挡水情况钢筋抗力1480kN,检修情况为996kN,均远小于3060kN,不满足设计承载力要求。

2)偶然组合。荷载效应:

支座推力设计值计算:平行闸墩一侧水推力F=3342kN。

承载能力复核,根据现有配筋按以下公式进行

式中 ψ——设计状况系数,对偶然组合为0.85。

经计算,现有结构抗力为1480kN,小于ψF=2841kN,不满足要求。

2.边墩

边墩为钢筋混凝土衡重式结构,衡重平台以下墩高4.5m,墩后为岩石,不计侧土压力,计水压力;平台以上回填土高7.5m。平台处墩厚度2.5m,在填土侧每米墩长实配Ⅰ级钢筋522,间距0.2m。迎水侧墩根部实配钢筋同中墩。其典型断面如图3-3所示。

(1)计算情况说明。取机架桥墩下单宽米计算,按承载能力极限状态对边墩进行安全复核。荷载效应组合分基本组合和偶然组合。基本组合计算条件为墩前无水,墩后地下水位49.0m,其荷载组合为结构 (包括设备)自重、墩后水压力、墩后土压力、人群荷载等。偶然组合计算条件为墩前无水,墩后地下水位50.0m,其荷载组合为结构自重、墩后水压力、人群荷载、地震惯性力等。

(2)荷载计算。各种效应组合荷载计算见表3-20。

图3-3　边墩典型断面(单位:mm)

表3-20　边墩荷载计算表

续表

(3)边墩内力计算。按悬臂板计算根部内力,结果见表3-21。

表3-21　边墩根部内力计算表

(4)承载能力复核。边墩承载能力复核采用式 (3-16)、式 (3-17)、式 (3-18),计算结果见表3-22。

由表3-22知,边墩承载能力正常运行情况下结构抗力值1645.5kN,大于荷载效应值694.8kN,满足强度要求,而地震情况结构抗力值677.9kN,小于荷载效应值717.1kN,不满足强度要求,需要进行加固。

表3-22　边墩承载能力复核成果表

(四)闸底板承载能力复核

中墩底板为跨中分缝结构,闸底板跨中板厚0.8m,墩下局部加厚至2.0m,底板下为基岩。闸底板跨中顶层配筋为12@250+16@250底层为30@125。

1.计算情况说明

按承载能力极限状态对底板进行复核。荷载效应组合分基本组合和偶然组合,基本组合计算条件为闸前水位55.0m,闸后水位平闸底板,基本荷载组合为结构自重、水作用力、地基反力等。偶然组合计算条件为基本组合遇Ⅸ度地震,其荷载组合为结构自重、水作用力、地基反力、地震惯性力等。

2.荷载计算

各种效应组合荷载计算见表3-23。

3.承载能力复核

利用水工结构分析计算软件(SGR2.0)系统,该软件由河海大学工程软件研究所开发,适用于水闸、船闸、涵洞、渡槽、泵房等水工建筑物结构计算与图形处理。计算采用了解析法和数解法相结合的半解析法,考虑上部结构与地基的相互作用。本闸底板计算中,根据底板荷载计算结果,按弹性地基梁法对闸底板进行内力分析计算,其计算结果见表3-24。承载能力复核计算公式采用式(3-9)、式(3-10),其结构承载能力计算成果见表3-24。

表3-23　底板荷载计算

表3-24　闸底板承载能力计算成果表　单位:kN·m

由表3-24知,闸底板在正常运行情况下,结构抗力值大于荷载效应值,强度满足要求;在地震情况底层结构抗力值1828.0kN·m,大于荷载效应值704.7kN·m,满足强度要求,上层结构抗力值416.8kN·m,小于荷载效应值430.3kN·m,但差值在5%之内,认为其强度基本满足要求。

(五)综合结论及建议

(1)经复核,闸过流能力、闸下消能、闸室稳定、上、下游翼墙稳定均满足规范要求,无需进行加固处理。仅对上、下游翼墙浆砌石缝进行处理。

(2)经复核,机架桥主梁、次梁及悬臂梁的承载能力和限裂均满足SL/T191—96《水工混凝土结构设计规范》要求,主梁裂缝主要是混凝土干缩和温度收缩缝。应对裂缝进行处理,以防受力钢筋锈蚀。

(3)经复核,机架桥墩根部,闸中墩根部强度,均不满足抗震强度要求需对其进行加固处理或采用抗震加固措施。

(4)经复核,闸墩辐射筋及闸门支铰悬臂牛腿在正常运行和地震情况均不满足承载能力要求,必需对其进行加固处理,并对闸墩裂缝进行灌浆处理。

(5)经复核,闸底板上层、底层配筋均满足正常运行和抗震承载能力要求,只需对闸底板裂缝进行处理。

(6)闸后交通桥预制钢筋混凝土空心板裂缝严重,且有的板块已断裂。出现上述情况的主要原因是长期超载运行所致,影响两岸交通安全。必须进行翻修改造。

(7)桥头堡地梁产生严重裂缝,屋面漏水严重,已不能正常运行,属四类结构,应报废重建。

(8)复核闸下消能满足设计要求,下游消力池混凝土表面冲刷剥严重,混凝土骨料外露,主要是工程老化,碳化所致,部分砌石海漫冲毁,需进行加固处理。

(9)远离闸室段铺盖冲刷剥蚀严重,铺盖表面剥落面积达1106.2m2,占该段铺盖面积的36.95%;靠近闸室段铺盖相对较为完整,仅局部混凝土表面有剥落现象,占该段铺盖面积的3.3%,因此只对远离闸室段进行处理。

铺盖段止水效果良好,无渗漏,但伸缩缝两侧5～15cm 范围内多处混凝土破损较严重,破损深度达2～5cm,沥青杉板外露部分已腐烂,需处理。

水工结构承载能力的复核结果汇总见表3-25。

表3-25　水工构件承载能力复核成果表