李文勝，陳適之，聶銘，許心怡，詹清華，劉昊

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

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變電站老舊混凝土構(gòu)架的加固設(shè)計的研究

李文勝1，陳適之2，聶銘1，許心怡2，詹清華1，劉昊1

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

以變電站老舊混凝土構(gòu)架為研究對象，對老舊混凝土構(gòu)架現(xiàn)有存在問題及其成因做了簡要總結(jié)，并對現(xiàn)有的可應用于問題構(gòu)架的加固方法做了歸納與分析，提出幾種具有較好應用前景的新型加固方法。最后結(jié)合現(xiàn)有加固技術(shù)及新型加固技術(shù)的優(yōu)劣性和適用性，按照實際加固需求，提出老舊混凝土構(gòu)架的整體加固方法，可大大提高變電站的可靠性和使用壽命。

變電站混凝土構(gòu)架；病害及成因；新型加固方法；加固設(shè)計

1　變電站鋼筋混凝土構(gòu)架現(xiàn)有問題及成因分析

1.1存在的問題

2014年廣東電網(wǎng)有限責任公司(以下簡稱“廣東電網(wǎng)”)對所屬變電站鋼筋混凝土構(gòu)架進行了專項核查，歸納變電站鋼筋混凝土構(gòu)架普遍存在的問題有混凝土表面碳化、混凝土保護層漲裂剝落、宏觀可見裂縫、鋼筋外露及銹蝕、牛腿開裂、預埋件及爬梯銹蝕[1-2]等，這些問題將嚴重影響構(gòu)架可靠性、安全性及使用壽命。

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是一個常見的問題，包括如圖1(a)所示的縱裂縫和如圖1(b)所示的橫裂縫。

圖1　混凝土結(jié)構(gòu)裂縫

工程的破壞與倒塌很大程度上都是從裂縫的擴展開始，雖然某些裂縫沒有達到使混凝土結(jié)構(gòu)倒塌的危險程度，但是在使用條件及所處環(huán)境的作用下，如日照、潮濕、雨霧、工業(yè)污染氣氛、沿海氯離子侵蝕等，裂縫將不斷擴展，引起結(jié)構(gòu)、性能持續(xù)劣化，并伴隨混凝土保護層脫落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化等，影響構(gòu)架使用壽命。

泥喬變電站混凝土保護層漲裂脫落情形如圖2(a)所示，這是一個比較嚴重的問題，緩慢發(fā)展將逐步降低對鋼筋的保護能力，甚至造成鋼筋銹蝕外露，進一步劣化混凝土性能。大涌變電站鋼筋銹蝕情形如圖2(b)所示，它將造成鋼筋截面減小、混凝土出現(xiàn)銹漲裂縫、鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的粘結(jié)錨固性能下降等問題，直接導致鋼筋混凝土構(gòu)件承載力顯著降低。

圖2　混凝土保護層漲裂脫落鋼筋銹蝕情況

李文勝，等：變電站老舊混凝土構(gòu)架的加固設(shè)計的研究預埋件及爬梯銹蝕也影響構(gòu)架質(zhì)量和安全性。構(gòu)架橫梁掛鉤是用于懸掛絕緣子和導線的重要受力點，長期受風載與環(huán)境影響，如掛鉤銹蝕(引起承載力下降)、懸掛點附近的混凝土保護層剝落、出現(xiàn)裂縫，將降低掛鉤與構(gòu)架橫梁之間連接的安全性和可靠性，嚴重導致掛鉤失效脫落，進而造成絕緣子和導線脫落，影響變電站安全運行。

1.2成因分析

1.2.1構(gòu)架先天質(zhì)量問題

鋼筋混凝土構(gòu)架制作、養(yǎng)護過程中質(zhì)量把關(guān)不嚴，給全站的構(gòu)架留下了先天質(zhì)量隱患，達不到原設(shè)計和規(guī)范要求，主要問題有水泥用量偏少；混凝土拌合、震搗、養(yǎng)護不充分、不均勻；鋼筋的布設(shè)、綁扎位置和尺寸不準確，偏差大，混凝土保護層厚度普遍不夠，甚至沒有保護層等。這些質(zhì)量問題不僅直接造成了鋼筋混凝土構(gòu)架質(zhì)量差、強度低、強度離散性大，而且為今后構(gòu)架運行中遭遇其他因素破壞和加速老化、破損等埋下了禍根。

1.2.2構(gòu)架使用接近設(shè)計使用年限

根據(jù)GB 50068—2001《建筑物可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中第1.0.5 條規(guī)定：對易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計使用年限為25 年。通過核查，存在評估需求的變電站建成投運年代主要在1990年前后，因此變電站持續(xù)運行已20多年，鋼筋混凝土構(gòu)架使用時間接近設(shè)計使用年限。

1.2.3周邊環(huán)境污染加劇構(gòu)架的腐蝕

廣東省沿海環(huán)境濕熱，隨著工業(yè)污染、大氣污染的不斷產(chǎn)生，變電站周邊環(huán)境不斷惡化，加劇鋼筋混凝土構(gòu)架的腐蝕。

1.2.4未對構(gòu)架采取補強措施或補強措施不足

大部分有評估需求的變電站投產(chǎn)至今，并未對變電站內(nèi)其他的構(gòu)架進行過加固補強措施，最多只進行刷涂處理，本質(zhì)上構(gòu)架結(jié)構(gòu)的耐久性并沒有得到改善和加強；某些變電站可能經(jīng)過防腐補強處理，安全性和耐久性暫時得到滿足，但經(jīng)過10年、20年的運行，又暴露出其他問題。

2　現(xiàn)有加固技術(shù)與應用

根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的常用加固方法，結(jié)合變電站老舊混凝土構(gòu)架的結(jié)構(gòu)類型，將可應用的加固方法簡要歸納如下，并對適用性及其優(yōu)劣做簡要分析。

2.1增大截面法

增大截面法是南方變電站加固過程中取得良好效果的補強模式方法，是對構(gòu)架進行鑿補和多層防水涂膜及用鋼筋混凝土(加高級防滲材料)的補強，是一種傳統(tǒng)的加固方法。通過增大構(gòu)件的截面面積提高原構(gòu)件的剛度、承載力、穩(wěn)定性、抗裂能力等受力性能，適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構(gòu)件的加固。加固后結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性好，使用壽命長，該方法經(jīng)驗成熟，實用性和可靠性強，但施工操作較難，施工工期長，停電周期長，影響構(gòu)架的正常工作，帶來較大的經(jīng)濟損失。

2.2外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是在構(gòu)件4個角部外包型鋼,并通過鋼綴板和型鋼的焊接，使型鋼和構(gòu)件緊緊貼在一起，按其與原構(gòu)件連接方式分為外粘型鋼加固法和無粘結(jié)外包型鋼加固法，適用于不允許增大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面面積，又需要大幅度提高截面承載能力和抗震能力的鋼筋混凝土柱及梁的加固[3]。外粘型鋼加固法能使鋼架和原構(gòu)件共同受力，承載力提高顯著；而無粘結(jié)外包型鋼加固法中，兩者單獨受力，但施工簡便，適用于快速補強。該加固方法受力可靠，施工速度快，但用鋼量較大，后期需進行防銹處理，且不宜在無防護的情況下用于高溫場所。

2.3粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是在需加固的鋼筋混凝土構(gòu)件外表面，采用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，使鋼板與混凝土構(gòu)件整體工作共同受力，限制混凝土構(gòu)件的裂縫發(fā)展同時，提高混凝土構(gòu)件的承載力和變形能力[3]，這是一種傳統(tǒng)的加固方法，適用于對鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構(gòu)件進行加固。由于外粘鋼加固法具有施工方便、施工工期短、工藝簡單、鋼板體積小、干擾性小但加固補強效果明顯等特點，大量應用于建筑、橋梁、水利水電等土木工程領(lǐng)域，但是存在鋼板容易剝離、應力滯后的問題，而且鋼板自重較大，加固后需要對鋼板進行防銹處理。另外，在加固時需要在構(gòu)件上進行鉆孔錨固，在一定程度上增加梁構(gòu)件損傷。

2.4粘貼纖維復合材料(碳纖維)加固法

粘碳纖維加固方式是目前變電站加固過程中較受歡迎的加固技術(shù)，是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維片材粘貼于構(gòu)支架柱、橫梁等構(gòu)件表面，從而達到結(jié)構(gòu)補強及改善受力性能的目的，適用于鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、大偏心受壓及受拉構(gòu)件的加固。碳纖維力學性能優(yōu)異，粘合性良好，自重小，具有較強的耐腐蝕及耐久性，因此該方法施工方便，工期短，加固后結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性好，能顯著達到加固補強的效果，但是該加固效果要以構(gòu)件較大的變形為代價，由于存在二次受力，碳纖維在混凝土中的鋼筋屈服前幾乎不參與工作。粘碳纖維加固法在無附加錨固措施時，容易產(chǎn)生剝離破壞；碳纖維粘結(jié)膠粘劑受時間、環(huán)境濕熱等因素影響[4-5]。

現(xiàn)有加固方法具有施工速度慢、耗材量較多或者易發(fā)生黏結(jié)破壞、不能充分發(fā)揮加固材料的作用等缺陷，所以還需開拓其他新型加固方法。

3　新型加固技術(shù)

3.1FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法

預浸纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer, FRP)網(wǎng)格筋是一種縱橫正交筋所組成的纖維網(wǎng)格，將碳纖維(carbon fiber, CF)、玻璃纖維(glass fiber, GF)等高性能連續(xù)纖維浸漬于耐腐蝕性良好的樹脂中，形成整體的網(wǎng)格狀物。FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法是先通過機械錨固FRP網(wǎng)格于構(gòu)件表面，再增加一層聚合物砂漿保護層，使受力傳遞更加均勻。該方法材料輕便，耐銹蝕，雙向受力，施工方便，能明顯提高構(gòu)件的抗彎承載力，在錨固充分的條件下不易發(fā)生剝離破壞，有一定的抗剪性能[6]。FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法結(jié)構(gòu)如3所示。

圖3　FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法結(jié)構(gòu)

3.2外貼預制裝配式構(gòu)件加固法

外貼預制裝配式構(gòu)件加固法是先將預制構(gòu)件進行工廠化生產(chǎn)，然后現(xiàn)場拼接后利用粘結(jié)材料連接，從而簡化現(xiàn)場施工復雜程度，加快施工速度。實驗證明，若保證施工質(zhì)量，外貼預制裝配式構(gòu)件基本能達到現(xiàn)澆構(gòu)件的承載力和變形要求。另外，由于預制構(gòu)件在預制廠加工，現(xiàn)場只是裝配、灌漿，現(xiàn)場施工時間少，施工一般在外部進行，對建筑物功能的正常運行影響甚微。這種預制構(gòu)件加固技術(shù)對我國建筑產(chǎn)業(yè)化，建筑工業(yè)化改革也有很大的促進作用，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　外貼預制裝配式構(gòu)件加固法

3.3預應力高強鋼絲繩加固法

預應力高強鋼絲繩加固法是利用傳統(tǒng)的高強鍍鋅、不銹鋼鋼絲繩，巧妙施加預應力對混凝土結(jié)構(gòu)進行抗彎、抗剪、抗震加固的新方法，是一種“主動式”加固方法[7]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　預應力高強鋼絲繩加固法

預應力高強鋼絲繩加固法能大幅度提高原有結(jié)構(gòu)的承載力、剛度，有效改善變形性能，減小裂縫寬度，施工方便，成本低，避免了加固材料的粘結(jié)破壞，充分發(fā)揮了加固材料的強度，另外，相比于體外預應力加固技術(shù)，錨具受力均勻，鋼絲繩外部的防護砂漿也使鋼絲繩得到保護[8-9]。

4　整體加固思路設(shè)計

由于變電站鋼筋混凝土構(gòu)架加固的必要性，針對現(xiàn)有問題，并結(jié)合現(xiàn)有加固技術(shù)以及近幾年的新型加固技術(shù)，提出了對變電站整體加固的思路設(shè)計，包括復原修復處理與加固方案確定兩個層面。

4.1復原修復處理

在考慮采取加固技術(shù)方案之前，必須要對變電站構(gòu)架進行復原修復處理。對構(gòu)架現(xiàn)存3個大問題——混凝土表面宏觀裂縫、鋼筋及鋼構(gòu)件銹蝕以及混凝土保護層剝落等構(gòu)架缺損問題，分別提出相應的復原修復措施。

4.1.1混凝土表面宏觀裂縫處理

對于混凝土表面裂縫進行裂縫修補，應注意修補方法、修補材料及修補時間。對裂縫寬度ω≤0.2 mm的微細裂縫和非貫穿結(jié)構(gòu)性裂縫應采取表面封閉法處理；對貫穿性裂縫和ω>0.2 mm的結(jié)構(gòu)性裂縫應采取壓力注漿法處理。表面封閉法是用增強塑料、膠泥和涂料等進行封縫；壓力注漿法是以一定的壓力將低黏度、高強度的裂縫修補膠液或水泥漿液注入裂縫腔內(nèi)，達到填充密實的效果。對影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件承載力的裂縫或縫隙修補后，必須進行檢測，確定修補質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求。

4.1.2鋼筋及鋼構(gòu)件銹蝕處理

鋼筋或鋼構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕應進行除銹，選擇除銹方法時應注意不同的除銹方法及其不同的使用條件。對于銹蝕鋼筋的處理，應先將鋼筋表面的銹層打磨或清刷干凈再進行防銹施工，鋼筋的銹蝕面積超過原面積的8%時，必須補配鋼筋或采取其它加固方法加固處理。對除銹后的混凝土表面涂刷防護材料，并對鋼筋混凝土構(gòu)件噴涂阻銹劑，噴涂前應仔細清理混凝土的表層，并剔鑿、修復局部劣化的混凝土表面，然后進行連續(xù)噴涂，最后對銹蝕鋼筋或鋼構(gòu)件的修復進行質(zhì)量檢查。

4.1.3混凝土保護層修復處理

變電站鋼筋混凝土構(gòu)架表面剝落損傷主要是內(nèi)部鋼筋銹漲所致，修補方案應根據(jù)缺陷和損傷的程度制定。對于空蝕破壞的修復，應加強修補面的體型控制，嚴格控制表面不平整度；對于鋼筋銹蝕引起混凝土剝蝕的修補方法包括剝蝕混凝土修補、涂層保護和使用阻銹劑等。

混凝土構(gòu)架缺損和損傷修補后，根據(jù)防護設(shè)計的不同要求，可采用憎水浸漬、防護涂層或表面覆蓋等方法進行表面防護，并應滿足滲透性、抗侵蝕性、鋼筋防銹性、裂縫橋接能力及外觀等性能要求。最后對損傷修補后的混凝土構(gòu)件進行質(zhì)量檢查。

4.2加固方案確定

對變電站鋼筋混凝土構(gòu)架復原修復處理后，應根據(jù)構(gòu)架的安全和耐久性要求、構(gòu)架的缺陷情況及施工的可行性，確定合理的加固方案，其原則應保證新增構(gòu)件和部件與原結(jié)構(gòu)連接可靠，新舊截面黏結(jié)牢固，形成整體共同受力。根據(jù)變電站鋼筋混凝土構(gòu)架構(gòu)件及節(jié)點損傷情況，將構(gòu)架損傷情況分為以下一般損傷、中度損傷、嚴重損傷3類。

a) 構(gòu)架構(gòu)件及節(jié)點發(fā)生一般損傷時，可僅對構(gòu)架構(gòu)件采用表面阻銹處理，涂刷防護面層。

b) 構(gòu)架構(gòu)件及節(jié)點發(fā)生中度損傷時并復原修復后，還需對構(gòu)件采用粘貼纖維復合材料法、預張緊鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿面層加固法、FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法或繞絲加固法進行加固處理，對節(jié)點采取粘貼纖維復合材料法、增大截面法或粘貼鋼板法進行加固處理。

c) 構(gòu)架構(gòu)件及節(jié)點發(fā)生嚴重損傷時并復原修復后，還需對構(gòu)件采用置換混凝土法、增大截面法、粘貼鋼板法、粘貼維復合材料法、預張緊鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿面層加固法、FRP網(wǎng)格-外加聚合物砂漿面層加固法、繞絲加固法、外貼預制裝配式構(gòu)件加固法或預應力高強鋼絲繩加固法等進行加固處理；對構(gòu)件節(jié)點采用粘貼鋼板法、置換混凝土法或增大截面法進行加固處理。

5　結(jié)束語

本文針對變電站老舊鋼筋混凝土構(gòu)架的現(xiàn)有問題，結(jié)合了現(xiàn)有和新型的加固方案，提出了變電站構(gòu)架整體加固思路設(shè)計，先后分為復原修復處理和加固方案確定。根據(jù)不同的構(gòu)架缺陷提出相應的修復措施，并發(fā)揮各個加固方法的優(yōu)勢，使得變電站老舊鋼筋混凝土構(gòu)架的加固更加有效、迅速。

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(編輯王夏慧)

Reinforcement Design and Research on Old Concrete Structure in Substation

LI Wensheng1, CHEN Shizhi2, NIE Ming1, XU Xinyi2, ZHAN Qinghua1, LIU Hao1

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

Taking old concrete structure in the substation for a research object, this paper summarizes existing problems of old concrete structure and related causes. It concludes and analyzes existing reinforcement methods suitable for problematic frameworks, and proposes several kinds of new reinforcement methods of better application prospect. Combining with superiority and inferiority of exiting reinforcement technologies and the new technology as well as different feasibilities, it presents an overall reinforcement method for old concrete structure according to practical requirements, which can greatly improve reliability and service life of the substation.

concrete structure in substation; disease and causes; new reinforcement method; reinforcement design

2016-03-13

2016-05-17

中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目(GDKJ00000030)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.009

TV223.34

B

1007-290X(2016)09-0043-05

李文勝(1984)，男，湖南湘鄉(xiāng)人。高級工程師，工學博士，從事電網(wǎng)金屬監(jiān)督和結(jié)構(gòu)工程工作。

陳適之(1993)，男，陜西西安人。在讀工學博士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

聶銘(1973)，男，湖南漣源人。教授級高級工程師，工學碩士，從事電力系統(tǒng)金屬監(jiān)督和結(jié)構(gòu)分析工作。