王懷國(guó),秦英才

(1.山東省聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東聊城 252061;2.山東省聊城市河道工程管理處,山東 聊城 252061)

碳纖維加固技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用研究

王懷國(guó)1,秦英才2

(1.山東省聊城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山東聊城 252061;2.山東省聊城市河道工程管理處,山東 聊城 252061)

針對(duì)王鋪渡槽上部墩柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的大開度貫穿性裂縫,課題組經(jīng)過(guò)全面分析和多方案綜合對(duì)比,采用裂縫化灌、碳纖維加固、外表面刷涂水性環(huán)保型乳膠漆外墻涂料作為防護(hù)的綜合措施對(duì)原工程進(jìn)行有效的加固處理,并結(jié)合水利工程的自身特點(diǎn)改進(jìn)了加固技術(shù)工藝,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

水利工程;碳纖維;加固

1 工程概況

位山灌區(qū)王鋪渡槽位于聊城市東昌府區(qū)王鋪村南,是位山引黃灌區(qū)三干渠跨越馬頰河的大型交叉建筑物,工程興建于 1984年,渡槽設(shè)計(jì)流量 100m3/s,其擔(dān)負(fù)著馬頰河以北200萬(wàn)畝耕地適時(shí)灌溉和引黃濟(jì)津供水任務(wù)。渡槽橫斷面為矩形(鋼筋砼底板,平面鋼閘門側(cè)墻),下部結(jié)構(gòu)為鋼筋砼灌注樁蓋梁組成的排架支撐結(jié)構(gòu),共 8跨,單跨跨徑 12 m,槽身凈寬 20 m。經(jīng)多年使用,用于啟閉鋼閘門的部分墩柱出現(xiàn)橫截面裂縫等損壞情況,墩柱斷裂數(shù)目已過(guò)半,裂縫最大開展寬度 6mm。如不及時(shí)采取措施,勢(shì)必對(duì)工程的安全運(yùn)行及馬頰河的安全度汛造成極大威脅。因此,對(duì)王鋪渡槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固是十分必要的。原渡槽橫剖面見圖 1。墩柱裂縫位置見圖 2。

2 裂縫原因分析

經(jīng)分析研究工程原設(shè)計(jì)、工程運(yùn)用情況、工程管理情況等方面,匯總王鋪渡槽墩柱及懸臂梁裂縫原因如下:

(1)馬頰河內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重,致使啟門力加大,引起啟閉機(jī)超載。

(2)管理單位未按設(shè)計(jì)工況提升閘門。當(dāng)渡槽內(nèi)水深低于1.5m時(shí)提升閘門,啟閉機(jī)原設(shè)計(jì)容量 2×7.5T能夠滿足要求;當(dāng)渡槽內(nèi)水深超過(guò)1.5m時(shí)提升閘門,啟閉機(jī)便超載運(yùn)行。

3 設(shè)計(jì)指標(biāo)確定

王鋪渡槽加固設(shè)計(jì)指標(biāo)主要是指啟閉機(jī)啟門力取值。

(1)分析工程實(shí)際運(yùn)用情況,諸如馬頰河內(nèi)泥沙淤積、超水位提閘門等不利情況,應(yīng)加大原啟閉機(jī)容量。

(2)根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 CECS 146:2003》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中 4.3.5條“結(jié)構(gòu)加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過(guò) 40%的規(guī)定”,應(yīng)限定啟閉機(jī)容量的增大范圍。

綜合以上分析研究,確定啟閉機(jī)啟門力由原 2×7.5 T增為 2×10T,以 2×10 T作為設(shè)計(jì)荷載對(duì)渡槽墩柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

圖1 渡槽橫剖面

圖2 墩柱裂縫位置

4 加固方案比選

對(duì)比粘鋼加固、碳纖維加固方案,碳纖維加固具有強(qiáng)度高、重量輕、厚度薄以及良好的耐久性、耐腐蝕性、施工便捷、質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn),技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)合理,故采用碳纖維加固方案對(duì)王鋪渡槽補(bǔ)強(qiáng)加固。粘鋼加固、碳纖維加固方案比較見表 1。

表1 粘鋼加固、碳纖維加固方案比較

5 工程內(nèi)容

根據(jù)工程資金情況及工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果,本次施工僅對(duì)已出現(xiàn)裂縫的 9個(gè)中墩進(jìn)行加固處理,共粘貼碳纖維布166.5m2;對(duì)裂縫開展寬度大于 0.3 mm的墩柱裂縫采取裂縫化灌處理;加固完畢后,對(duì)全部 18個(gè)墩柱外表面刷涂水性環(huán)保型乳膠漆外墻涂料作為防護(hù)。

6 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 加固材料選用

碳纖維加固技術(shù)近些年來(lái)在日本及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展迅速,已廣泛應(yīng)用于橋梁、工業(yè)與民用建筑以及地鐵、煙囪等特種結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。我國(guó)從 1997年才開始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù),已逐步應(yīng)用于橋梁及房屋建筑工程,但國(guó)內(nèi)用于水利工程修復(fù)加固的先例少?？紤]王鋪渡槽補(bǔ)強(qiáng)加固的特殊性(水利工程露天環(huán)境下的風(fēng)雨侵蝕、紫外線照射、環(huán)境濕度大等),選擇加固材料時(shí)應(yīng)將原材料質(zhì)量和力學(xué)性能指標(biāo)放在首位,其次應(yīng)注重材料的經(jīng)濟(jì)性。綜合比較國(guó)內(nèi)外碳纖維加固材料的力學(xué)性能、碳纖維片材在碳纖維束排列的勻質(zhì)性、預(yù)浸樹脂的含量、碳纖維的斷絲率、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo),決定采用新日鐵公司生產(chǎn)的 FTS-C1-30型碳纖維布、國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心生產(chǎn)的碳纖維配套粘結(jié)樹脂。

6.2 加固材料性能指標(biāo)選用

根據(jù)《規(guī)程》4.1.3條“碳纖維片材應(yīng)根據(jù)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變,按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力。”,4.1.4條“碳纖維片材應(yīng)取生產(chǎn)廠提供的不小于 95%保證率的極限抗拉強(qiáng)度作為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fcfk.。碳纖維片材的極限拉應(yīng)變 εcfu應(yīng)取其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fcfk除以彈性模量 Ecf?！钡囊?guī)定,FTS-C1-30型碳纖維布的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)彈性模量 Ecf=2.35×105Mpa(廠商提供)與構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)碳纖維布的允許拉應(yīng)變二者乘積來(lái)確定。

6.3 計(jì)算公式的選用及計(jì)算假定

碳纖維片材拉應(yīng)變平面假定法。

計(jì)算假定:①構(gòu)件達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí),碳纖維片材的拉應(yīng)變按截面應(yīng)變保持平面的假定確定,但不應(yīng)超過(guò)碳纖維片材允許拉應(yīng)變[εcf]。

②達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前,碳纖維片材與砼之間不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。

③受拉鋼筋先達(dá)到屈服,然后碳纖維片材超過(guò)其允許拉應(yīng)變并達(dá)到極限拉應(yīng)變而斷裂,此時(shí)受壓區(qū)砼瀕臨壓壞狀態(tài)。

計(jì)算公式:采用《規(guī)程》公式 4.3.2-4:

M為包含初始彎距的總彎距設(shè)計(jì)值;fy為受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為受拉鋼筋截面面積;h0為截面有效高度;ξcfb為碳纖維片材達(dá)到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的界限相對(duì)受壓區(qū)高度;h為截面高度;Ecf為碳纖維片材彈性模量;[εcf]為碳纖維片材允許拉應(yīng)變;Acf為受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積。

并補(bǔ)充力平衡公式如下:

fcbx=fyAs+Ecf[εcf]Acf

fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為截面寬度;x為混凝土受壓區(qū)高度。

6.4 碳纖維布粘貼布置型式

(1)條寬選擇。FTS-C 1-30型碳布幅寬 500 mm,設(shè)計(jì)中依據(jù)結(jié)構(gòu)斷面型式將碳布裁剪成兩條,單條寬度 250mm,既便于施工又保證了施工質(zhì)量。

(2)設(shè)置 U型箍。設(shè)置 U型箍目的在于將碳纖維布與砼緊密粘結(jié)在一起,防止結(jié)構(gòu)受力時(shí)發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。頂部懸臂橫梁上的 U型箍兼起抗剪作用。

(3)碳纖維布搭接。為彌補(bǔ)渡槽墩柱原鋼筋布置缺陷,將墩柱立面碳纖維布延伸 800mm粘貼在懸臂橫梁頂面,以使受力體保持連續(xù)完整性。同時(shí)為避免碳纖維布在轉(zhuǎn)角處形成褶皺造成應(yīng)力集中,必須將該處砼打磨平順。

6.5 外表面防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)加固修復(fù)完的結(jié)構(gòu)外表面涂刷波音蘭色水性環(huán)保型乳膠漆外墻涂料防護(hù),以減少環(huán)境因素對(duì)碳纖維布及其配套樹脂的侵蝕,同時(shí)使建筑物外觀協(xié)調(diào)、美觀。

碳纖維加固布置圖見圖 3。

圖3 墩柱碳纖維加固布置圖

7 結(jié)語(yǔ)

王鋪渡槽加固施工于 2004年 9月完成,施工質(zhì)量?jī)?yōu)良,工程總投資 44萬(wàn)元,同時(shí)施工未影響干渠正常輸水,確保了灌區(qū)耕地適時(shí)灌溉和引黃濟(jì)津輸水。加固后工程運(yùn)行良好,未發(fā)現(xiàn)任何異常,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

工程運(yùn)用情況表明,該項(xiàng)目前期研究分析工作全面準(zhǔn)確,所采用的裂縫化灌、碳纖維加固和水性環(huán)保型乳膠漆涂料防護(hù)的綜合補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)安全、適用,施工工藝技術(shù)及質(zhì)量控制措施科學(xué)合理,可有效延長(zhǎng)水利工程的使用壽命和提高工程投資效益,為今后處理同類工程提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

[1]《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/T191-96

[2]《混凝土加固技術(shù)規(guī)范 CECS25:90》

[3]《碳纖維片材加固修復(fù)砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 CECS 146:2003》

Study on Carbonized Fibre Rein force App lication of W ater Engineering

WANG Huai-guo1,Q IN Y ing-cai2
(1.LiaoCheng Water Resources Reconnaissance＆Design Institute,Liaocheng252061,Shandong 2.LiaoCheng River Adm inistration,Liaocheng 252061,Shandong)

For the big transfixion crack happened to the frusta structure o f the upper of Wangpu aqueduct,the research group has done a comp rehensive analysis and multi-program comp rehensive comparison,used of filling cracks,carbon fiber reinforcement,exterior environmentally water-based latex paint brush on the outer surface,the outer wall as comprehensive measures of protection works on the original effective rein forcement,combined with water p rojects?own characteristics to imp rove the technological processes,and achieved remarkable econom ic and soc ial benefits.

Water Engineering;Carbonized Fibre a

TV 698.2+4

A

1004-1184(2011)01-0165-03

2010-08-02

王懷國(guó)(1974-),男,山東莘縣人,高級(jí)工程師,主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。