黄沙港挡潮闸抗震加固设计研究

1、黄沙港挡潮闸抗震加固设计研究l74四川建筑科学研究SichuanBuildingScience第37卷第5期2011年1O月黄沙港挡潮闸抗震加固设计研究吴发红,朱国贤,项明,周乾(1.盐城工学院土木工程学院,江苏盐城224051;2.盐城市水利工程管理处,江苏盐城224001)摘要:黄沙港挡潮闸是江苏沿海的一个重要排涝挡潮控制闸门,由于原来设计水准过低,再JJn_k长期受盐雾腐蚀,已不能满足安全运行的要求.利用对浆砌块石两端设置钢筋混凝土暗柱,同时在柱间设置刚度较大的钢筋混凝土梁支撑,从而形成抗震性能较好的框架结构.在闸的改造加固中,还将原来的拱形公路桥面和立拱胸墙拆除,用混凝土板代替,将整个

2、结构连成一个整体,从而提高了结构的抗震性能.关键词:挡潮闸;抗震设计;闸墩中图分类号:TU352文献标识码:A文章编号:10081933(2011)0517404HangshagangtidedesignstudygateseismicretrofitWUFahong,ZHUGuoxian,XIANGMing,ZHOUQian(1.SchoolofCivilEngineeringYanchengInstituteofTechnology,Yaneheng224051,China;2.YanchengCityWaterProjectManagementOffice,Yancheng224001,

3、China)Abstract:HangshagangretainingtidalbarriersisanimportantstormdrainagetidecontrolgateinJiangsucoastalareas.Duetotheloworiginaldesignleveling,andthelongtermcorrosion,itcannotsatisfytherequirementsofthesafeoperationnowdays.Setupthereinforcedconcreteconcealedcolumnsonbothendsofthestone,setstherigid

4、ityoflargereinforcedconcretebeamsbetweenthecolumnsforsupportatthesanletime,formingabetterframeworkforseismicbehavior.Atthegateofrebuilding,wewilldemolitionoftheoriginalvaultedhighwaybridgedeckandverticalarchchestwall,replacewithconcreteslabs,copytheentirestructureasawhole.Thus,wecanimprovetheseismic

5、performanceofthestructure.Keywords:retainingtidalbarriers;seismicdesign;pier0引言1存在的问题黄沙港闸是苏北里下河地区重要的排涝挡潮控制闸门之一.该闸自1972年建成以来,在挡潮,御卤,排涝,蓄淡,灌溉,通航等方面均发挥了显着效益,为保障里下河地区社会和经济的可持续发展及人民生活水平提高发挥了巨大作用.沿海地区的挡潮闸由于始终受到海水,海风侵蚀,其老化破坏程度远比内地同类建筑要快.这些工程是典型的三边工程,原设计标准偏低,没有考虑抗震,经多年运行,工程明显老化,虽进行过多次加固,但受经费限制,仅仅是简单构件的修补,问题

6、未能彻底解决,目前存在问题较多,已不能满足安全运行的要求.收稿日期:2010-01.11作者简介:吴发红(1969一),男,江苏盐城人,硕士,副教授,主要从事结构的加固及维修研究.Email:wufahongycit.an1)按照江苏省海堤达标建设的要求,工程等级应为2级水工建筑物,并按100年一遇高潮位设计,200300年一遇高潮位校核,按7度地震进行抗震设防.经复核计算,存在如下问题:正向设计工况下不考虑齿坎作用情况,闸身抗滑稳定安全系数大于1.0,但不满足规范要求,在考虑齿坎作用情况下,闸身抗滑稳定安全系数可满足规范要求,但基底应力不均匀系数略偏大;闸墩为浆砌块石与混凝土混合结构,不符合

7、SL20397水工建筑物抗震设计规范要求.2)公路桥桥面混凝土面板多处开裂,拱脚渗水,拱桥拱圈产生裂缝并因桥面渗水造成溶出性侵蚀,钢筋锈蚀.3)胸墙混凝土框架横梁碳化严重,碳化平均深度接近钢筋保护层的厚度,局部超过保护层厚度,纵梁产生较多的顺筋裂缝,底梁混凝土胀裂脱落严重,横梁截面减小,混凝土胀裂脱落处钢筋截面锈蚀率2011No.5吴发红,等:黄沙港挡潮闸抗震加固设计研究175为17.9%,胸墙面板多处受损,不满足强度要求.通航孔岸墙因船舶撞击,混凝土脱落,损坏.2抗震加固设计2.1总体思路黄沙港底板为反拱底板,门槽以外的闸墩为浆砌块石结构,公路桥面采用连拱结构.该闸场地区地震加速度为0.1g

8、,即为7度地震设防区,根据DL50731997(水工建筑物抗震设计规范第8.2.2条规定,地震区宜采用钢筋混凝土整体结构.根据这个要求,在浆砌块石结构闸墩两端设置钢筋混凝土暗柱,在上部设计钢筋混凝土撑梁,同时,将连拱结构的公路桥面拆除,采用梁板式桥面,这样就形成了一个抗震性能良好的框架结构.拆除立拱结构的胸墙而建成钢筋混凝土板,与暗柱固结,提高了结构的整体性能,从而达到7度设防的抗震要求.2.2闸身结构复核根据相关规范要求,按1O级风浪进行计算,闸身工作桥的强度和变形,裂缝均能满足要求.闸正表1闸墩加固方案比较Table1Comparisonofpierreinforcement向最小稳定系数

9、为1.1(考虑齿坎作用),均大于规范规定的1.05,满足规范规定的要求,但应力不均匀系数最大达到3.0,不满足规范规定的2.5的要求.在闸身两端增设钢筋混凝土柱,与原有的浆砌块石形成组合结构,利用混凝土结构弹性模量高于浆砌块石的弹性模量的特点:一方面减小了原有浆砌块石的应力;另一方面也有效地解决了基底的应力不均匀问题.加固后,通航孔闸身基底应力不均匀系数(最大)为2.25,满足要求.2.3闸墩抗震加固2.3.1加固方案比选对于闸墩的加固,按现在的加固技术及施工条件,可考虑以下3个方案(表1):1)采用碳素纤维包贴加固或采用闸墩外包贴钢板加固方案;2)用植筋外焊钢筋网浇筑混凝土加固方案;3)在闸

10、墩端部设抗震柱,闸墩之间设抗震撑梁方案.2.3.2闸墩加固设计经方案比选,方案1缩小过流净宽,不宜采用;方案2需干室施工,施工风险较大;方案3结合公路桥拆建,拆除原拱桥,将原闸墩垂直水流向改为框架结构,即由闸墩,撑梁,底板组成一个闭合的框架体系.具体做法是,将排水孔下游墩头拆除2.0in,设1.5m宽钢筋混凝土抗震柱;下游闸墩高程2.0In以上浆砌石拆除,浇筑钢筋混凝土至高程3.5ITI,并设3根50cm150cm钢筋混凝土撑梁;减轻上部结构,连拱桥改为板梁桥;上游侧浆砌石闸墩顶拆建人行便桥,新建人行便桥与闸墩固支.撑梁混凝土强度等级为C30,具体布置如图1所示.2.3.3闸墩抗震验算2.3.

11、3.1浆砌石允许拉应力确定根据竣工资料,该闸闸墩胶结材料为100砂浆,由SL2591浆砌石坝设计规范知,沿灰缝接触面齿缝弯曲抗拉强度极限值R=5710Pa,由公式:1.9=R求得砌体沿灰缝接触面通缝破坏时的极限抗拉强度:t=3010Pa=O.3N/mm特殊组合安全系数为2.9,则浆砌石沿灰缝接触面通缝破坏时容许拉应力:=3.0/2.9=O.1N/mm2.3.3.2闸墩抗震复核1)计算方法本工程底板l6孔连续不分缝,本次加固拟在闸墩间设抗震框架使水闸横向形成多孔连续框架,结构计算把闸墩,撑梁,交通桥,底板作为一个闭合的框架体系计算,交通桥与闸墩铰接,为简化计算,计算过程中垂直水流向连续5孔闸墩设

12、一计算单元,176四川建筑科学研究第37卷排水孔图1暗柱,撑梁布置Fig.1Arangementofcolumnandbeam计算简图见图2.顺水流向截取外海侧9in宽作为计算单元,计算假定如下:忽略截取9m后不平衡剪力作用;忽略地震时闸墩间动水压力;浆砌石按各项同性的介质计算(参考浆砌石坝设计规范);墩头钢筋混凝土按浆砌石结构计算内力后再按材料力学方法计算应力.2)计算物理参数杆件物理参数见表2.节点11点l2节点13节点l4点15E6.I6,氏E4,k4.水乎】速度0lg节点6节点7Es,节点8节点9节点1OE3,I3,A3节点1节点2节点3节点4节点5一,-?一叨,-_E2,I2,A2E

13、l,11A图2计算简图Fig.2Calculationdiagram表2杆件物理参数Table2Physicalparameters3)浆砌石墩脚应力计算闸墩根部应力按偏心受压构件计算,根据电算结果,浆砌石墩脚处控制设计内力:M=571kN?m,N=2130kN.闸墩墩头通过钢筋混凝土柱加固后,混凝土与浆砌石组合结构,根据SL2591浆砌石坝设计规范对于混凝土与浆砌石弹性模量相差较大的结构,可用类似钢筋混凝土学中钢筋面积折算法,将墩头混凝土扩大E/E.倍,以体现两者变形协调,如图3所示.具体计算如下:计算宽度:BE/EB=2.6/0.61.5=6.5mL=7+6.5=13.5m惯性矩:,=1/

14、12X13.50.9=0.8201m:0.8201/0.45:1.822m浆砌石拉应力:弯矩作用下产生的拉应力:6=516/1.822=283.2kPa=0.283N/mm轴力作用下产生的压应力:6=2050/8.5/0.9=284.7kPa=0.285N/mm浆砌石产生的拉应力:2.832.85:一0.020N/ram二二二二二=l6.51.5mI5I图3排水孔闸墩计算简图Fig.3Calculationofthedinageholespier2011No.5吴发红,等:黄沙港挡潮闸抗震加固设计研究177地震工况下,浆砌块石拉应力小于允许拉应力=0.1N/mm,加固后,浆砌石闸墩满足抗震要求

15、.2.4公路桥拆建公路桥桥面混凝土板多处开裂,桥拱拱圈产生裂缝,并因桥面雨水渗入桥面下回填土,使回填土长期处于饱和状态,造成拱顶开裂,拱圈表面出现多处不规则开裂,排水孔工作桥拱脚,拱顶强度均不能满足要求.结合闸墩抗震加固,本次设计拟拆除原有公路桥面铺装层,桥拱,新建板式钢筋混凝土公路桥,公路桥荷载等级0.8公路级.桥面高程6.7m,桥面总宽6.0m,桥面净宽5.4m,桥板厚35cm,桥板混凝土强度等级为C30,铺装层采用C40防水混凝土,桥板与闸墩问设抗震锚拴.2.5胸墙拆除重建原胸墙为钢筋混凝土框架钢丝网水泥薄壳面板结构,梁系碳化严重,碳化深度已超过钢筋保护层厚度,并产生较多顺筋裂缝,混凝土

16、胀裂脱落,钢筋锈蚀,面板多处损坏.虽于10年前进行过修补及表面保护,但是混凝土内部因碳化降低的碱性程度没有改善,仍存在进一步向劣化方向发展的趋势,鉴于胸墙劣损状况已不符合海堤工程达标要求,且不适宜再次修.设计拟拆除原有混凝土薄壳胸墙,结合闸墩加固,新建板式胸墙,新建胸墙采用现浇钢筋混凝土结构,新建胸墙底高程仍为1.8m,设计维持胸墙顶高程为5.5m不变,胸墙面板厚度为40cm,为增加水闸排架垂直水流向刚度,胸墙两侧水平钢筋通过植筋锚人排架,胸墙与排架固支,现浇胸墙混凝土强度等级为C30.考虑温度应力的影响,每5孔胸墙设一道伸缩缝与排架连接.2.6通航孔工作桥拆建由于本闸建于20世纪70年代,原

17、设计工作桥上未考虑建启闭机房,目前阀组直接安装在工作桥上,直接受风沙盐雾的侵蚀,维修频繁,液压油外泄较多,给管理带来极大的不便,启闭机活塞杆长期暴露在空气中,极易造成油污染,本次设计新建框架结构轻型启闭机房.增建启闭机房后,经计算,通航孔工作桥不能满足承载要求需拆除重建.排水孔工作桥承载能力,裂缝开展宽度均满足规范要求,仅需对启闭机房构造柱下的悬臂板作局部加固.由于从控制室通往通航孔工作桥的人行便桥为普通钢管焊接而成,无任何防护设施,在恶劣天气情况下,管理人员从桥上通过,极不安全,本次设计拟结合通航孔工作桥拆除重建,新建钢筋混凝土人行便桥,并且修建框架结构轻型启闭机房与通航孔启闭机房连接.新建

18、通航孔工作桥采用钢筋混凝土结构,长度为9.2m,宽度为4.1m,设40cm80cm主梁4道,混凝土强度等级为C25.3结语沿海地区的挡潮闸破坏比较严重,亟待加固,维修,尤其是抗震性能远远达不到要求.通过在浆砌块石两端增设钢筋混凝土柱,与原有基础形成组合结构,有效地减小了基底应力不均匀系数,上部结构采用钢筋混凝土框架结构,横向以钢筋混凝土梁联系,纵向用混凝土梁,工作桥面混凝土桥以及现浇钢筋混凝土胸墙板联系,从而提高了结构的整体性,提高了抗震性.本工程在加固和维修时在潮汛期间进行,对施工提出了更高的要求,该工程已经快要完工,通过观察表明,此种加固方法在该闸上的应用是成功的,同时,对于同类或类似结构的加固提供了一定的借鉴经验.参考文献:1余天庆,蒋永红.拱式桥梁加固技术的研究与应用J.世界桥梁,2006(1).YuTianqing,JiangYonghong.ResearchandApplicationofArchBridgeStrengtheningTechniquesJ.