夏兆光,吳 兵

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002;2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 淮安 223005)

1 問(wèn)題的提出

由于施工質(zhì)量、自然老化和運(yùn)行管理等方面的原因,目前大部分水閘都出現(xiàn)了不同程度的老化病害現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了工程效益的正常發(fā)揮,威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。所以,必須適時(shí)開(kāi)展水閘工程老化評(píng)估和耐久性研究工作,以便充分了解水閘工程的工作性態(tài),為水閘加固設(shè)計(jì)工作和管理部門的正確決策提供科學(xué)依據(jù),在此基礎(chǔ)上可以有目的、有計(jì)劃地開(kāi)展水閘工程除險(xiǎn)加固建設(shè)。

2 水閘混凝土構(gòu)件老化機(jī)理及分析

2.1 水閘鋼筋混凝土構(gòu)件老化機(jī)理

目前耐久性研究中,鋼筋銹蝕通常大都指縱向鋼筋,實(shí)際上箍筋首先銹蝕,當(dāng)縱筋銹蝕截面損失率在5%～10%范圍內(nèi)時(shí),箍筋已有很多銹斷。在水閘鋼筋混凝土構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)中,也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題。鋼筋混凝土梁構(gòu)件的箍筋位于主筋的外面,且直徑相對(duì)主筋較小,對(duì)截面損失更為敏感,因此往往可以發(fā)現(xiàn)箍筋銹蝕比縱向受力鋼筋銹蝕更嚴(yán)重。

箍筋銹蝕后往往會(huì)造成:①箍筋截面面積減小,其屈服強(qiáng)度、彈性模量、延性下降;②箍筋對(duì)混凝土的約束作用降低;③混凝土保護(hù)層的銹脹開(kāi)裂;④箍筋和混凝土粘結(jié)能力的降低。所以,箍筋銹蝕將在很大程度影響鋼筋混凝士受彎構(gòu)件抗剪承載能力。由于剪切破壞的脆性性質(zhì),一旦發(fā)生其后果要比正截面破壞嚴(yán)重得多。

2.2 有限元彈塑性分析模型

混凝土用8節(jié)點(diǎn)空間單元模擬,采用Williaal-Warnke 5參數(shù)破壞準(zhǔn)則 (即:單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、雙軸抗壓強(qiáng)度、圍壓作用下的單軸抗壓強(qiáng)度、圍壓作用下的雙軸抗壓強(qiáng)度),本構(gòu)關(guān)系選用多線性隨動(dòng)硬化模型?；炷帘緲?gòu)關(guān)系選擇適當(dāng)與否,對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大的影響,本文本構(gòu)關(guān)系選取參考文獻(xiàn)[1]。

鋼筋平均半徑損失較小時(shí),可視為均勻銹蝕,鋼筋的重量損失率W和鋼筋的平均半徑損失之間的關(guān)系,可表達(dá)為:

r為鋼筋未銹蝕時(shí)的半徑,Ao為鋼筋未銹蝕時(shí)的截面面積,根據(jù)鋼筋的重量損失率w可以求出銹后鋼筋的截面面積如下:

另外,可以得到在均勻銹蝕下鋼筋的名義屈服強(qiáng)度和名義彈性模量變化表達(dá)式[2]。

采用三維2節(jié)點(diǎn)桿單元模擬鋼筋,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取理想彈塑性。通過(guò)桿單元截面面積和屈服強(qiáng)度及彈性模量的變化來(lái)模擬不同銹蝕情況下的箍筋均勻銹蝕后截面面積的減少及名義屈服強(qiáng)度、名義彈性模量的下降。由于箍筋為I級(jí)光圓鋼筋且本文僅研究箍筋的銹蝕,可以不考慮箍筋及主筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能。

采用8節(jié)點(diǎn)空間單元模擬鋼墊板,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線彈性。采用鋼筋混凝土分離式模型,根據(jù)求解問(wèn)題的對(duì)稱性,取1/2模型進(jìn)行有限元分析并施加對(duì)稱邊界條件。在支座處設(shè)25mm厚的鋼墊板,以避免出現(xiàn)局部壓壞而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析

(1)有限元模型的驗(yàn)證。為驗(yàn)證有限元模型中各項(xiàng)參數(shù)的正確性,首先按照參考文獻(xiàn)[3]對(duì)未銹蝕試驗(yàn)梁施加集中荷載分析 (本文僅考慮剪跨比λ=2的情況)?？梢钥闯?初始階段有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,但是在后繼階段相差較大,可能是由于剪壓破壞的脆性性質(zhì)導(dǎo)致。有限元分析的極限荷載為140.75 kN,試驗(yàn)極限荷載為145.9 kN,誤差3.5%。因此,可以認(rèn)為該有限元模型可以較好地模擬試驗(yàn)梁。

(2)箍筋銹蝕率對(duì)梁承載力的影響。箍筋銹蝕率為0%、5%、10%時(shí),在梁上旋加均布荷載后梁跨中荷載—撓度曲線見(jiàn)圖1。

圖1 梁跨中荷載～位移曲線圖

荷載位移曲線上A點(diǎn)產(chǎn)生突變,主要是由于鋼筋混凝土梁下邊緣混凝土開(kāi)裂,剛度突然減小,混凝土單元開(kāi)裂退出工作所導(dǎo)致。但突變后,曲線又近似線性關(guān)系,荷載轉(zhuǎn)由鋼筋單獨(dú)承擔(dān),梁的剛度較開(kāi)裂前有所降低。有限元分析結(jié)果表明,隨著箍筋的銹蝕:①箍筋銹蝕后,降低了對(duì)混凝土的約束作用,使梁的抗剪極限承載能力下降;②降低了受彎構(gòu)件的剛度,特別是B點(diǎn)后,即構(gòu)件開(kāi)裂后的剛度;③梁的屈服段明顯退化,發(fā)生脆性破壞。

3 水閘混凝土結(jié)構(gòu)老化的加固處理方法

修補(bǔ)和加固,是對(duì)已建成投入運(yùn)行的水閘所進(jìn)行的缺陷處理,比新建往往更困難更復(fù)雜。必須首先對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因和危害性做出準(zhǔn)確的分析評(píng)估,然后靈活運(yùn)用各種加固方法。

3.1 混凝土碳化的處理

視碳化深度和部位的不同,可以采取多種處理方法。一般而言,可以將碳化的混凝土全部鑿去,表面清理干凈,再用高于原混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的混凝土或其它修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)加固;如果外露的鋼筋已經(jīng)產(chǎn)生銹蝕,必須先除銹再進(jìn)行處理,銹蝕嚴(yán)重可能影響結(jié)構(gòu)安全的,要通過(guò)計(jì)算換筋或重新更換構(gòu)件。必須注意的是無(wú)論采取何種形式的碳化處理方法,都應(yīng)該考慮一定的防碳化保護(hù)措施。

3.2 混凝土表面剝蝕處理

首先對(duì)原混凝土剝蝕面進(jìn)行清洗,然后用各類修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)。在選用修補(bǔ)材料時(shí),應(yīng)根據(jù)混凝土剝蝕的原因,采用不同的修補(bǔ)材料。

3.3 混凝土裂縫的處理

裂縫是水閘老化最常見(jiàn)的病害形式,裂縫會(huì)引起滲漏,加劇溶出性腐蝕及凍融破壞,更會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全,必須妥善加以修補(bǔ)。通常把裂縫分為死縫、活縫和增長(zhǎng)縫等3種。修補(bǔ)裂縫的方法很多,歸納起來(lái)可分3大類:

(1)充填法。這是一種適合于修補(bǔ)較寬裂縫(裂縫寬度大于0.5 mm)的方法,具體做法是沿裂縫處鑿 “U”形或“V”形槽,槽頂寬約l0 cm,在槽中充填密封材料。充填材料可用水泥砂漿、環(huán)氧砂漿、彈性環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿等。如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋己經(jīng)銹蝕,則將混凝土鑿除到能夠充分處理已經(jīng)生銹的鋼筋部分,將鋼筋除銹,然后進(jìn)行防銹處理,再在槽中充填聚合物水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂砂漿等材料。對(duì)于活縫,沿裂縫走向開(kāi)一個(gè)“U”型槽,槽底墊1層與混凝土不粘的材料,如塑料片材,再填充彈性嵌縫材料,使其與槽兩側(cè)粘結(jié)。這樣嵌縫材料沿槽的整個(gè)寬度可自由變形,裂縫發(fā)生張拉變形時(shí),不會(huì)把嵌縫材料拉開(kāi)。

(2)注入法。注入法分壓力注入法(灌漿法)與真空吸入法2種。壓力注入法適用于較深較細(xì)裂縫;而真空注入法則是利用真空泵使縫內(nèi)形成真空,將漿材吸入縫內(nèi),該法適用于各種表面裂縫的修補(bǔ)。

(3)表面覆蓋法。這是一種在微細(xì)裂縫 (一般寬度小于0.2 mm)的表面上涂膜,以提高其防水性及耐久性為目的的修補(bǔ)方法,分涂覆裂縫部分及全部涂覆2種方法。

3.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固處理

對(duì)于水閘結(jié)構(gòu)中一般分鋼筋混凝土梁板及框架構(gòu)件,經(jīng)鑒定其可靠度不足時(shí)常采用下列幾種辦法進(jìn)行加固:

(1)外包混凝土法。即根據(jù)需要在原構(gòu)件的一側(cè)、雙側(cè)、三面或四周外包混凝土并增設(shè)配筋量。

(2)外包鋼法。在原構(gòu)件四周包以型鋼以大幅度提高承載力。當(dāng)采用乳膠水泥粘貼角鋼或在型鋼與原構(gòu)件之間用壓漿方法粘結(jié)時(shí)稱為濕式外包鋼法。角鋼直接外包在原構(gòu)件四周,用綴條或螺栓套箍將角鋼連成整體時(shí),稱為干式外包鋼法。

(3)預(yù)應(yīng)力加固法。用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

(4)噴射混凝土法。構(gòu)件表面破損(露筋、蜂窩、狗洞)但沒(méi)有損害到鋼筋時(shí),可用噴射混凝土或鋼纖維混凝土來(lái)加固。

4 增強(qiáng)水閘混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議

(1)根據(jù)目前病險(xiǎn)水閘現(xiàn)狀,必須抓好病險(xiǎn)水閘安全鑒定及工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)工作,控制和降低工程“病險(xiǎn)率”。

(2)主管部門要對(duì)所有水閘建筑物進(jìn)行定期檢查,全面建立病害檔案。對(duì)運(yùn)行10 a以上的水閘,尤其是文革期及以前建成的中小型水閘要全面徹底檢測(cè),對(duì)各類病害有針對(duì)性地及時(shí)補(bǔ)救。對(duì)一般病害用環(huán)氧材料作補(bǔ)、堵、修,實(shí)踐證明是行之有效的;對(duì)嚴(yán)重病害要做好除險(xiǎn)加固修復(fù)工作;對(duì)于那些結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化影響正常使用的構(gòu)件建議拆除重建。

(3)加強(qiáng)工程管護(hù),提高管理水平。加強(qiáng)工程日常養(yǎng)護(hù)工作,延緩工程老化周期,對(duì)重要大中型水閘,逐步采用計(jì)算機(jī)程控管理等先進(jìn)管理技術(shù),優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行管理,實(shí)現(xiàn)水閘安全高效管理;努力建設(shè)一支高素質(zhì)的水利工程管理人員隊(duì)伍。

(4)搞好工程除險(xiǎn)技術(shù)創(chuàng)新工作。水閘除險(xiǎn)加固須注重應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝,努力 提高工程設(shè)計(jì)水平、改善和提高水閘除險(xiǎn)效果及資金效用,以利于工程的運(yùn)行、維護(hù)和管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)大部分水閘的鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)不同的老化問(wèn)題,利用有限元方法對(duì)箍筋銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的老化機(jī)理進(jìn)行分析,并在其基礎(chǔ)上提出增強(qiáng)水閘混凝土結(jié)構(gòu)老化的加固處理方法及水閘混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的建議。

[1]Hsuan-Teh Hu.Fu·Ming Lin,Yih-Yuan Jan.Nonlinear finite element analysis of reinforced concrete beams strengthened by fiberreinforced plastics[J],Composite Structures,2004(63):271-281.

[2]Lee H.S,Noguchi t,Tomosawa F.FE M analysis for structure performance of deteriorated RC structures due to rebar corrosion[A],Proceedings of the International Concrete Under Severe Conditfons,Tromsa,Norway,1998:327-336.

[3]徐善華.混凝土結(jié)構(gòu)退化模型與耐久性評(píng)估[D].牛荻濤,指導(dǎo).西安,西安建筑科技大學(xué),2003:113-120.