机架桥设计及配筋计算方法

机架桥为整片预制,由4 道主梁、2 道端梁及桥面板组成。主梁、端梁高均为650mm,机房边墙下主梁宽400mm,启闭机座下主梁宽250mm,端梁宽150mm。

(一)主梁结构计算

1.荷载计算

机架桥主梁为简支梁,机房边墙下主梁荷载主要有结构自重、墙下线荷载、面板传来荷载组成。启闭机座下主梁配筋以启闭机开启时为控制情况,启闭机选用2×80kN 双吊点卷扬式启闭机,作用在主梁上的荷载计算见表4-20、表4-21。

表4-20　机座下主梁荷载计算表

表4-21　墙下边主梁荷载计算表　单位:kN/m

2.内力计算

主梁计算跨度5.46m,经计算荷载效应设计值为:

机座下主梁:跨中弯矩:M=98.65kN·m

支座剪力:V=104.19kN

边墙下主梁:跨中弯矩:M=199.35kN·m

支座剪力:V=146.04kN·m

3.配筋计算

(1)正截面承载力计算公式采用SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》中公式。

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;

Mu——截面极限弯矩值;

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。经计算边主梁跨中截面选配Ⅱ级625;中主梁Ⅱ级325。(2)斜截面受剪承载能力计算公式:

式中 V——剪力设计值;

Vu——受剪承载力;

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。

经计算边主梁箍筋:8@150,四肢箍;中主梁:8@150,二肢箍。

4.裂缝宽度及挠度验算

按正常使用极限状态对其裂缝开展宽度进行验算,并按作用的短暂设计状况组合和持久设计状况组合分别验算。

按规范要求,工作桥及启闭机下大梁最大挠度只计算作用效应的短暂组合情况。经计算:

中主梁裂缝宽度:短期组合0.20mm＜[w]=0.3mm

主梁裂缝宽度及挠度均满足要求。

(二)面板结构计算

面板计算按照单向板计算,配筋为10@150。

(三)吊环设计

预制机架桥板时在每道主梁两端各埋设一个吊环,每跨机架桥共埋设8个吊环,机架桥吊装时应使每个吊环均匀受力。

(四)排架设计

1.排架布置

排架为C30钢筋混凝土结构,有中墩排架和缝墩排架两种形式,排架高5.05m,净跨3.5m,柱截面尺寸500mm×500mm;盖梁截面尺寸中墩排架宽650mm,缝墩排架宽500mm,高均为600mm;盖梁上游端悬臂长1.2m,在根部设200mm×200mm 的抹角与柱相接。为防止机架桥地震时脱落,排架盖梁上设防震挡块。

2.结构设计

(1)顺水流向。顺水流向按排架计算,考虑以下3种工况:

1)正常运用期:门前挡水位34.5m,工作闸门启闭。

2)检修期:检修门挡水位34.5m,检修门启闭。

3)地震情况:门前挡水位34.5m,工作门不启闭,地震动峰值加速度0.10g。

顺水流向排架结构计算采用PKPM 软件,梁柱配筋结果如下:

柱:Ⅱ级420。

盖梁:上层Ⅱ级425+228,下层720。

悬挑梁:上层425+228,下层414。

(2)垂直水流向。垂直水流向计算模型为独立悬臂柱,按偏心受压构件计算。垂直水流方向正常运用期遇地震情况为最不利情况,故只计算地震情况。

1)荷载计算。作用在排架上的荷载见表4-22。

表4-22　排架柱荷载计算表　单位:kN

2)内力计算。经计算荷载效应设计值为

3)配筋计算。正截面受压承载力计算公式为

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;

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;(www.xing528.com)

x——混凝土受压区计算高度。

经计算,配置Ⅱ级525。

(五)检修桥设计

1.检修桥布置

闸室上游端设有宽1.5m 检修桥,为C30钢筋混凝土实心板,板厚0.3m,净跨5m。

2.结构计算

检修桥板为简支于闸墩上的单向板结构,计算跨度5.25m,经计算荷载效应设计值为:

跨中弯矩:

经计算,受力筋为:Ⅱ级18@150。

(六)闸室设计

1.闸室布置

该闸位于7度地震区,采用整体式大底板有利于抗震,同时新建闸室与原闸室孔口尺寸对应,断面较小,不宜采用分离式底板。

2.闸基沉降计算

根据SL265—2001 《水闸设计规范》土质地基最大沉降量不宜超过15cm,最大沉降差不宜超过5cm。本次设计采用分层总和法进行地基沉降计算。附加应力取值采用正常蓄水位,即上游水位34.5m,下游水位32.5m 时基底应力进行计算,分别计算基底附加应力最大端沉降量Smax与最小端沉降量Smin,计算结果见表4-23。

由计算知,最大沉降量及沉降差均小于规范允许值。

3.闸室结构计算

(1)计算单元。新建闸室采用天然地基作为持力层。闸室结构计算取五孔一联闸墩与底板整体计算,长11m,宽29m,底板厚1.2m,假定地基为半无限大弹性体。

计算工况①完建工况:主体完工,边墩回填水泥土(水泥土指标同上游翼墙,不考虑地下水位);②正常运用工况:兴利水位闸前挡水位34.50m,闸下水位32.50m;死水位:闸前挡水位33.0m,闸下水位31.50m;③地震工况:闸前挡水位34.5m,闸下水位32.50m 遇Ⅶ度地震。

(2)荷载计算。取最危险工况即地震工况进行计算,闸墩荷载计算见表4-24、表4-25、表4-26。

表4-23　闸基沉降量计算

表4-24　闸室边墩荷载计算表

表4-25　闸室中墩荷载计算表

表4-26　闸室缝墩荷载计算表

底板荷载计算见表4-27。

表4-27　闸室底板荷载计算表　单位:kN/m2

(3)结构计算。闸墩及底板为C25 钢筋混凝土结构,中墩厚0.7m,缝墩厚1.2m,墩高7m,长11.0m。闸室构件内力计算最大值见表4-28。

表4-28　构件内力最大值

根据内力计算配筋为中墩Ⅱ级18@150,边墩临土侧Ⅱ级20@150,临水侧Ⅱ级18@150,缝墩Ⅱ级20@150闸墩抗裂验算均满足规范要求。底板上游侧Ⅱ级20@125,下游侧Ⅱ级18@150。抗裂验算均满足规范要求。闸室平面图、立面图、剖面图见附图7～附图9。

(七)桥墩、基础设计

1.原闸墩作交通桥墩设计

(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,依据混凝土质量检测总体推定强度标号,并按SL/T 191—96 《水工混凝土结构设计规范》换算成强度等级,见表4-29。

表4-29　混凝土检测推定强度与原设计标号比较表

(2)计算情况说明。原闸墩为下端固结,上端自由的构件,顺水流向7.0m,垂直水流向截面尺寸0.7m,高7.0m,实配竖向受力钢筋 (Ⅰ级)为2412,小于构造要求μmin=0.2%,因此按素混凝土进行复核。垂直水流方向截取单宽板带,按照固结于底板上的悬臂梁进行计算。

计算工况①检修工况,②正常运用工况遇Ⅶ度地震。

闸墩改为桥墩后荷载组合为基本组合和特殊组合。基本组合计算条件为,桥墩两侧下级湖水位32.5m (兴利水位)和31.5m (死水位),其荷载组合为结构自重、上部桥板重、汽—20荷载;特殊组合为正常运行遇Ⅶ度地震,其荷载组合为结构自重、上部桥板重、水平地震惯性力。取中墩整体复核计算。

(3)荷载计算。基本组合情况下经计算,桥墩根部弯矩:M=102.4kN·m;轴力:

N=1539.68kN。

偶然组合水平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式(4-12)计算。

式中 αh——水平向地震加速度设计值,Ⅶ度地震,αh=0.1g;

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。

经计算,桥墩根部弯矩:Me=392.24kN·m;轴力:Ne=1247.28kN

(4)承载力验算:

计算公式同式(4-13)和式(4-21)。

计算成果见表4-30。

表4-30　闸墩应力计算成果表　单位:kN

经计算,基本组合情况及特殊组合受压区承载力满足设计要求,特殊组合受拉区承载力按推定强度满足设计要求。

(5)加固措施。根据检测报告,水上部分原闸墩表面有钢筋锈胀、水位变化区混凝土表面轻微露石、表层碳化等现象,水下部分未进行检测。

将原闸墩高程35.3m 以上部分凿除,前端及闸墩表面凿毛,高程35.3m 及墩前端凿毛面涂丙乳基液,埋设插筋,按照设计断面浇至墩顶高程38.0m,为满足构造要求中墩墩顶部分宽0.9m,缝墩墩身等厚为1.2m;闸墩碳化层处理待施工时根据水下部分检测成果统一考虑。

2.原闸室底板作交通桥基础设计

(1)计算情况说明。原闸墩为五孔一联倒拱底板,拱圈强度按无铰单拱计算,主要荷载有上部结构自重引起的地基反力,不均匀沉陷引起的应力,均匀温差引起的温度应力,混凝土收缩应力等。本次复核计算上部荷载采用改建后净-7+2×0.75交通桥荷载计算。

(2)荷载计算。计算假定:

1)倒拱底板近似按无铰圆弧拱计算其内力。

2)倒拱下的地基反力在垂直水流向近似假定为均匀分布,在顺水流向假定为直线变化。

改建后原闸室不再承受静水压力,其基本荷载组合为:基本组合①加固完建情况;②下级湖正常蓄水位情况,兴利水位32.5m,死水位31.5m;③设计洪水位情况;特殊荷载组合为:④校核洪水位情况;⑤地震情况。按最不利组合计算地基应力从而计算由外荷载引起的底板应力。

(3)底板应力复核。按最危险工况①复核底板应力,计算成果见表4-31。

表4-31　闸底板应力计算成果表　单位:kN/m2

由表4-31知,闸底板计算综合应力值小于检测最低强度推定应力值,强度满足改建后承载能力要求。

3.水下部分混凝土加固

由于安全检测时受条件所限未对水下部分混凝土进行外观质量检查,施工时须先对原水下部分底板进行检测普查,根据情况对影响其强度的裂缝、缺陷等进行补强加固。