某電站輸水管道橋加固設(shè)計(jì)研究

林智敏，楊培森，袁 俊

(1.成都大學(xué)，四川 成都 610106； 2.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

某水電站位于四川省瀘定縣境內(nèi)，是磨西河支流燕子溝一級(jí)水電站。電站為引水式開發(fā)的徑流式電站。電站壩址位于燕子溝與海螺溝交匯處下游80 m處，廠址位于燕子溝與雅家梗河交匯處上游約100 m，壩、廠相距2.3 km。

引水管道跨越燕子溝時(shí)，由兩端鎮(zhèn)墩和桁架支撐。桁架長49.4 m，管道內(nèi)直徑為2.8 m[1]。橋梁總體布置圖如圖1所示，現(xiàn)場圖如圖2所示。

鋼桁架高度為4 m，共兩片主桁架，間距為4.6 m?？v向節(jié)間距離為3.05 m。

上弦桿采用4∠200 mm×200 mm×24 mm角鋼組合截面，下弦桿采用4∠200 mm×200 mm×20 mm角鋼組合截面。下橫梁采用Ⅰ600 mm×200 mm×20 mm工字型截面。豎桿、斜桿均采用2∠200 mm×200 mm×16 mm角鋼組合截面。下平縱聯(lián)采∠110 mm×110 mm×8 mm角鋼。鋼桁梁所有桿件均采用焊接。橋梁橫斷面圖如圖3所示。

輸水鋼管采用Q345鋼，內(nèi)徑2.8 m，壁厚16 mm鋼管。鋼管在各個(gè)橫梁位置均設(shè)置支座，在全跨范圍內(nèi)設(shè)置2個(gè)伸縮節(jié)。

本橋建設(shè)年代較久，原始設(shè)計(jì)資料缺失，可能存在一定安全隱患，為了保證橋梁運(yùn)營安全對(duì)本橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果予以加固。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)橋梁結(jié)構(gòu)形式：1×49.4 m鋼桁架橋。

2)設(shè)計(jì)荷載：滿水狀態(tài)，鋼管內(nèi)水流豎向力61.6 kN/m。

3)橋面寬度：4.6 m。

4)場地環(huán)境類別：Ⅰ類。

5)抗震設(shè)防烈度為9度，地震動(dòng)峰值加速度為0.40g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，抗震設(shè)防類別為D類，抗震措施等級(jí)為四級(jí)。

6)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：二級(jí)。

7)設(shè)計(jì)使用年限期：主體結(jié)構(gòu)30 a，可更換部件15 a。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 計(jì)算模型

采用Midas civil 2020有限元軟件建立計(jì)算模型。本橋?yàn)殡娬镜妮斔艿罉颍溆?jì)算模型與常規(guī)橋梁有所不同。由于本橋?yàn)殍焓浇Y(jié)構(gòu)，自重較輕。而對(duì)于上部的滿水鋼管而言，水的重量約是空鋼管加上桁架重量的2倍。且因鋼管具有較大的抗彎剛度，因此鋼管的自重及管內(nèi)的水流荷載沿全橋的傳遞是極不均勻的，其荷載在伸縮節(jié)位置較大，其余位置較小。為反映鋼管及其管內(nèi)水體重量向鋼桁梁橋傳遞的真實(shí)路徑，將鋼桁梁及輸水管道均建立模型，具體如下：

鋼桁梁所有桿件均采用空間梁單元，所有相交的位置采用共節(jié)點(diǎn)的方式處理。輸水管道采用空間梁單元，采用彈性連接管道節(jié)點(diǎn)與桁架梁的橫梁支承位置節(jié)點(diǎn)。在鋼管伸縮節(jié)的位置，通過釋放轉(zhuǎn)角約束的方式釋放其彎矩。在桁架梁的兩端，通過剛性支承模擬橋梁支座。計(jì)算模型如圖4所示。

3.2 靜力分析

靜力分析考慮永久荷載和可變荷載兩大基本類型。永久荷載為主要結(jié)構(gòu)自重，包括鋼管及桁架本身的自重。可變荷載有管內(nèi)水流荷載、溫度作用(均勻升降溫)、風(fēng)荷載。在計(jì)算得到各個(gè)單項(xiàng)荷載后，采用承載能力極限狀態(tài)的基本組合計(jì)算其內(nèi)力，其中自重的分項(xiàng)系數(shù)為1.2，管內(nèi)水流的分項(xiàng)系數(shù)為1.4，溫度作用分項(xiàng)系數(shù)為1.4，風(fēng)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)為1.1，其中溫度荷載及風(fēng)荷載應(yīng)考慮0.75的組合系數(shù)[2]。

3.2.1 強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)計(jì)算分析，在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)大部分桿件強(qiáng)度滿足要求，但跨中位置的下弦桿、跨中位置的下橫梁、橋梁兩端支座附近位置的斜桿和豎桿不滿足強(qiáng)度要求。主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果匯總表

3.2.2 剛度驗(yàn)算

對(duì)于輸水管道橋，無專門的剛度驗(yàn)算要求，因此參考公路鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)計(jì)算水管滿水荷載單項(xiàng)作用下，桁架撓度最大值為53.7 mm，符合限值L/500=99 mm的要求(見圖5)。

3.2.3 穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算分析分兩個(gè)步驟進(jìn)行，首先進(jìn)行整體穩(wěn)定分析，然后進(jìn)行局部桿件的穩(wěn)定分析。

整體穩(wěn)定性采用Midas civil 2020有限元軟件進(jìn)行主橋彈性屈曲分析，將自重作為不變荷載，將水流荷載、整體升溫/降溫、風(fēng)荷載作為可變荷載，計(jì)算得到第一階反對(duì)稱側(cè)傾失穩(wěn)對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為7.22，一般而言，對(duì)于該類橋，彈性穩(wěn)定系數(shù)超過4，橋梁在實(shí)際狀況下不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)[3]。

第一階側(cè)傾失穩(wěn)形態(tài)見圖6。

局部穩(wěn)定分析應(yīng)針對(duì)受壓桿件進(jìn)行。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，采用雙向偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。主要對(duì)壓應(yīng)力較大的上弦桿以及豎桿及斜桿進(jìn)行穩(wěn)定分析。計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的長細(xì)比的影響，引入相關(guān)的構(gòu)件彎扭失穩(wěn)整體折減系數(shù)以及等效彎矩系數(shù)。經(jīng)分析上弦桿滿足穩(wěn)定要求，豎桿和斜桿正應(yīng)力超過材料設(shè)計(jì)值50%以上，不滿足穩(wěn)定要求。

3.3 抗震分析

參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，單跨跨徑不超過150 m的三、四級(jí)公路上的特大橋、大橋抗震設(shè)防類別為C類，但考慮本橋僅作為水管運(yùn)輸，不涉及車輛及行人通行，所以根據(jù)合同、結(jié)構(gòu)重要性及加固的經(jīng)濟(jì)性，與業(yè)主充分溝通協(xié)商后，將本橋抗震設(shè)防分類取為D類。按一階段抗震設(shè)防，在E1地震作用下，本橋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為：結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無損傷。

3.3.1 地震動(dòng)參數(shù)

龔家河水管橋全長為49.4 m，橋址區(qū)域地震基本烈度為9度。綜合考慮本橋橋型、跨徑及區(qū)域情況，本橋采用多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算分析。本橋抗震計(jì)算基本參數(shù)如表2所示。

按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本橋?yàn)榭拐鹪O(shè)防烈度為9度地區(qū)的橋梁，應(yīng)同時(shí)考慮水平向和豎向地震作用，設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖7,圖8所示[4]。

表2 地震動(dòng)參數(shù)表

3.3.2 抗震計(jì)算結(jié)果

對(duì)原桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，地震作用下，最大組合應(yīng)力為117.9 MPa，小于設(shè)計(jì)值180 MPa，最大剪應(yīng)力為46.9 MPa，小于設(shè)計(jì)值110 MPa。

抗震計(jì)算結(jié)果表明：在地震作用下，本桁架橋滿足抗震設(shè)防目標(biāo)。

3.4 結(jié)果匯總

根據(jù)對(duì)原橋計(jì)算結(jié)果分析，在靜力荷載作用下，原桁架橋下弦桿跨中、下橫梁跨中、兩端豎桿、兩端斜桿不滿足要求。其余桿件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足要求。在地震作用下，本桁架橋滿足抗震設(shè)防目標(biāo)。

4 加固設(shè)計(jì)

4.1 主要加固措施

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)論，首先需要對(duì)不滿足受力要求的下弦桿、跨中下橫梁，兩端豎桿、斜桿進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。其次，在對(duì)原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有幾處在構(gòu)造上存在抗震風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)予以改造，主要問題如下：

1)根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本橋抗震措施等級(jí)為四級(jí)，最小搭接長度為80 cm，原橋搭接長度為70 cm，不滿足規(guī)范要求，應(yīng)對(duì)臺(tái)帽進(jìn)行外延處理。

2)在臺(tái)帽上未設(shè)置阻止梁體側(cè)向移動(dòng)的橫向擋塊，應(yīng)進(jìn)行增設(shè)。

3)水管直接放置于下橫梁上，側(cè)向無抗震擋塊，需在水管與桁架連接處增設(shè)鋼擋塊，以防止鋼水管在地震作用下脫離桁架橋[5-6]。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便施工，在下弦桿外側(cè)增加2道∠160 mm×160 mm×16 mm角鋼，設(shè)置范圍為下弦桿全長。對(duì)于下橫梁，在鄰近跨中的3道橫梁下翼緣增設(shè)300 mm×20 mm鋼板，鋼板長度為下翼緣全長。對(duì)于豎桿和斜桿通過鋼板拼接成∠220 mm×180 mm×16 mm角鋼，再與原結(jié)構(gòu)通過角焊縫焊接。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖如圖9所示。

針對(duì)鎮(zhèn)墩臺(tái)帽搭接長度不足以及其上未設(shè)置防震擋塊的問題，通過在原結(jié)構(gòu)上植筋澆筑混凝土的方式，將臺(tái)帽延長至90 cm，并在鋼桁梁橫向兩側(cè)各增設(shè)100 cm高的防震擋塊，如圖10所示。

對(duì)于橫梁上方的防震擋塊，采用鋼結(jié)構(gòu)的形式，設(shè)置于支座內(nèi)側(cè)，在防震擋塊端面與鋼管支座之間設(shè)置橡膠塊以緩沖地震作用。其構(gòu)造如圖11所示。

5 結(jié)語

對(duì)原橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固后，經(jīng)驗(yàn)算各構(gòu)件均滿足受力要求。此外，本橋還有針對(duì)性地增加了抗震措施。加固施工完工后不久，即發(fā)生了“9·5瀘定地震”，地震震級(jí)6.8級(jí)，且本橋正好位于震中磨西鎮(zhèn)。因加固措施得當(dāng)，本橋未在地震中發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，也未發(fā)生大的結(jié)構(gòu)變位，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。