江苏苏北里下河地区浆砌石闸墩抗震加固方案研究

江苏苏北里下河地区浆砌石闸墩抗震加固方案研究

1浆砌石结构施工黄沙港门是苏北地下河地区的四大海岸建设项目之一。于1972年竣工。采用反弧底板和16个孔，并缝好。门的外槽部分为钢筋混凝土，其余为砂浆块石结构。北洞为8.0m正孔，其余15个为排水孔，每个孔净宽5.0m，如图1所示。本工程地处7度地震设防区,根据抗震设计规范,地震区不宜采用浆砌块石结构,经复核,闸墩墩脚强度在地震期远不能满足要求,因此需对浆砌石闸墩进行抗震加固。黄沙港闸闸墩加固工程受反拱底板强度、潮位、潜水施工条件限制,浆砌石闸墩抗震加固设计存在一定的难度。2钢筋混凝土结构体系方案比选闸墩加固先后考虑过三个方案:方案1。闸墩临水面植筋后焊钢筋网,再浇筑面层混凝土加固方案。方案2。闸墩临水面粘贴碳素纤维或贴钢板加固方案。方案3。在闸墩端部设钢筋混凝土抗震柱,闸墩之间设钢筋混凝土抗震撑梁方案。经对方案比选: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,且碳素纤维或钢板与底板无法可靠连接,加固效果差。方案3结合交通桥拆建,拆除原闸墩上拱桥,将原闸墩顺水流向和垂直水流向均改造为框架结构,由撑梁、胸墙、底板及内嵌于门槽和墩头处的钢筋混凝土柱组成一个闭合的框架体系。具体做法将闸墩下游侧墩头拆除2.0m,设1.5宽钢筋混凝土抗震柱;拆除闸墩高程2.0m以上浆砌石,改为钢筋混凝土结构,并在垂直水流方向设3根50cm×150cm钢筋混凝土撑梁;减轻上部结构,连拱桥改为板梁桥;薄壁胸墙拆除,新建钢筋混凝土抗剪力胸墙;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。决定采用方案3。具体见图2。3加固方案确定(1)新增闸墩墩头抗震柱水下部分施工有困难,由于原底板与消力池间未设水平止水,若采用钢结构墩头围堰抽水施工,底板与消力池间结构缝会大量渗水,造成渗漏破坏,影响工程安全。为解决这一难题,经研究,确定先由潜水员水下拆除墩头50cm浆砌块石墙,形成局部平面,使钢围堰不跨底板与消力池间结构缝,全部落在闸底板上,围堰抽水后在围堰内继续拆除下游1.5m墩头浆砌石,再在底板上插筋浇筑钢筋混凝土抗震柱。实践证明此思路可行。(2)黄沙港闸持力层为粉质壤土,其下卧层为淤泥质粉质粘土。原排水孔反拱底板厚为0.5m素混凝土结构,2001年经水下浇筑20cm钢筋混凝土加强层,本次加固拱桥上部结构拆除约占总自重30～50%,由于反拱闸底板对上部荷载变化反应较敏感,施工期闸墩上部结构及相连孔的不平衡拆建,均会导致上部荷载变化影响水闸稳定及底板的安全,加固设计需考虑不同的施工方案,并利用复核计算选择最优的拆除及加载方案。具体加固次序见图3。4闸墩应力计算黄沙港闸为垂直水流向16孔闭合的框架体系,为简化计算,计算过程中连续5孔闸墩设一计算单元,顺水流向截取外海侧宽9m,忽略截取9m后不平衡剪力的作用,忽略地震时闸墩间动水压力,假定浆砌石为各向同性的介质,内嵌钢筋混凝土柱闸墩先按浆砌石材料计算内力后,再按材料力学方法计算应力。计算简图见图4。该超静定结构内力计算利用有限元程序电算,节点及杆件编号见图4,计算杆件物理参数见表1,计算结果见表2。浆砌石墩脚应力计算。闸墩根部应力按偏心受压构件计算,根据计算结果,浆砌石墩脚处控制设计内力:根据《浆砌石坝设计规范》,将墩头混凝土扩大Ec/Es倍,按照浆砌块石结构计算闸墩应力。弯矩作用下产生的拉应力2.83kg/cm2,轴力作用下产生的压应力2.85kg/cm2,弯矩作用下产生的拉应力小于轴力产生的压应力,地震工况下浆砌块石拉应力小于允许拉应力[δ]=1.03kg/cm2,加固后浆砌石闸墩满足抗震要求。5反拱底板弯矩分析底板内力受自重、地基反力、上下表面压力差影响,其主要受地基反力影响,在交通桥、闸墩拆建以及上下游水位变化过程中,地基反力相应变化。本次按两种情况进行分析计算,将算得的结果与加固后的反拱底板可承受的内力进行比较,评价结构的安全性和施工方案的可行性:(1)局部拆除加载。相连三孔一个施工周期,拱桥在支护条件下拆除,然后立模浇筑闸墩,铺设交通桥。计算中先求得交通桥、闸墩拆除前和拆除后及加固完成时正反向设计水位下的地基反力,然后考虑闸孔反拱底板间内力传递,把施工过程中不平衡的地基反力加载到连续拱梁的结构上计算内力。经计算,施工期反拱底板跨中最大负弯矩93.6kN·m,小于破坏弯矩145kN·m。最大跨中正弯矩14.8kN·m,小于底板开裂弯矩58.5kN·m。(2)整体拆除、分步加载。拱桥、闸墩整体拆除,拆除后分步加载,即三个闸墩一个施工周期,先浇筑完交通桥下部闸墩及两根撑梁,桥板最后一次性敷设。经计算,整体拆除、分步加载,反拱底板跨中无正弯矩,最大负弯矩仅在边跨处82.4kN·m,小于破坏弯矩145kN·m,中间孔底板负弯矩为43.8kN·m。经方案比较,整体拆除、分步加固方案施工过程底板弯矩相对较小,工程实施时优先选取。6加固设计体会工程2008年5月开始施工,2009年汛前主体工程基本完成,完工后通过验收并经汛期考验。工程加固每延米投资约16万元,约为拆除重建投资的1/5～1/8。本次加固设计总结有以下三点体会:(1)水工结构加固设计受原有工程结构、变化的工情、水(潮)位变化以及加固工艺的影响,水工结构的复核计算应包括施工、运用全过程,全面分析工程施工期、运用期结构强度,确保工程安全。(2)闸墩的抗震水平撑梁需要一定的刚度,才能较多地吸收水平荷载产生的弯矩,减