陳 雯，來妙法

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

南江水庫位于浙江省東陽市境內(nèi)，壩址位于湖溪鎮(zhèn)嶺腳村上游500m處，所在河流南江系錢塘江流域金華江上游支流。南江水庫以灌溉、防洪為主，結(jié)合供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益型水庫，壩址以上集雨面積210km2，總庫容11940萬m3，為大 (2)型水庫。水庫樞紐建筑物主要由攔河壩、泄洪閘、灌溉與發(fā)電引水放空洞、發(fā)電廠及防汛公路等建筑物組成。攔河壩為細(xì)骨料混凝土砌塊石重力壩，壩頂高程 211.24m，最大壩高 57.00m，壩頂長202.07m，壩頂寬8.00m。攔河壩共分為11個壩段，其中3#～5#壩段為溢流壩段。溢流壩段寬60.00m，設(shè)6孔泄洪閘，堰頂高程200.24m，設(shè)6扇弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門控制，挑流消能。

南江水庫于1969年12月動工興建，1971年7月開始攔洪蓄水，同年12月壩體竣工。1990年9月開始實施加固擴(kuò)建工程，1995年10月完成加固擴(kuò)建。2005年12月，南江水庫大壩安全鑒定為“二類壩”。2007年10月南江水庫加固改造工程開始施工，至2012年底主體工程完成。

2 碳纖維布加固特點(diǎn)和參數(shù)要求

碳纖維布是近年來在土木工程中采用的比較先進(jìn)的技術(shù)材料。碳纖維增強(qiáng)聚合物 (Carbon Fibre Reinforced Polymer，簡稱CFRP)是由環(huán)氧樹脂粘聚高抗拉強(qiáng)度的碳纖維束而成。碳纖維布加固技術(shù)是采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘結(jié)于混凝土構(gòu)件表面，使之形成具有整體性的復(fù)合截面，共同受力，變形協(xié)調(diào)，以提高結(jié)構(gòu)的承載力［1］。

碳纖維布加固技術(shù)特點(diǎn):強(qiáng)度高 (強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍)，與混凝土構(gòu)件粘結(jié)性能好，對現(xiàn)有構(gòu)件結(jié)構(gòu)影響小;重量輕;可塑性好，可用于曲面和不規(guī)則形狀構(gòu)件;造價低 (約800元/m2);施工簡便、工期短;耐久性和耐腐蝕性較好，與聚脲等復(fù)合材料結(jié)合使用可達(dá)到較好的抗沖磨性能。因此，碳纖維材料在工民建房屋、橋梁等應(yīng)用較廣。但碳纖維材料在水利工程中，特別是在閘墩、牛腿等典型水工結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用相對較少。

碳纖維布的設(shè)計參數(shù)要求:抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥3000MPa，受拉彈性模量≥2.1×105MPa，伸長率≥1.5%，彎曲強(qiáng)度≥600MPa，層間剪切強(qiáng)度≥35MPa，仰貼條件下纖維復(fù)合材料與混凝土正拉粘貼強(qiáng)度≥2.5MPa，單位面積質(zhì)量為 300g/m2，纖維密度不大于 5.5×104g/m3［2］。

膠粘劑采用專門配制的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，不得使用不飽和聚酯樹脂、醇酸樹脂等作粘結(jié)膠粘劑。膠粘劑的設(shè)計參數(shù)要求:抗拉強(qiáng)度≥40MPa，受拉彈模模量≥2500MPa，伸長率≥1.5%，抗彎強(qiáng)度≥50MPa，且不得呈脆性破壞。

3 閘墩和牛腿加固

根據(jù)結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，南江水庫泄洪閘弧門工作鋼閘門支座的縱向鋼筋截面面積滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，主要問題是邊墩 (縫墩)弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，局部受拉區(qū)扇形受拉鋼筋截面不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。鋼筋配置不滿足要求的主要原因是規(guī)范更替后對結(jié)構(gòu)安全度提高?？紤]到節(jié)約投資，減少對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)專家組意見，保留閘墩和牛腿，用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)閘墩和牛腿 (見圖1)。

圖1 閘墩和牛腿加固補(bǔ)強(qiáng)示意圖

碳纖維復(fù)合材料 (CFRP)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計位置的確定根據(jù)閘墩的受力特點(diǎn)，閘墩受拉區(qū)混凝土的設(shè)計應(yīng)力一般分布在牛腿上游 (靠閘門一邊)約2倍牛腿寬，1.5～2.5倍牛腿高的范圍內(nèi)。根據(jù)閘墩局部受拉區(qū)裂縫控制計算成果，在受力范圍內(nèi)配置的碳纖維布，相應(yīng)選用重量300g/m2的CFRP，雙層條寬150mm，凈間距為150mm水平布置，范圍為弧門支座周邊5.0m×5.0m。

根據(jù)GB 50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》受拉構(gòu)件加固，其正截面承載力按以下公式復(fù)核:

其中:N為軸向拉力設(shè)計值，N;ff為碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，按高強(qiáng)度Ⅱ級取ff=1400MPa;Af為應(yīng)粘貼碳纖維復(fù)合材料截面面積，mm2;為原截面受拉鋼筋抗拉強(qiáng)度，MPa;為原截面受拉鋼筋截面面積，mm2。

經(jīng)計算，碳纖維數(shù)量不少于8條 (與扇形受拉區(qū)鋼筋數(shù)量相同)，選用重量300g/m2的CFRP(厚度0.37mm)，雙層條寬150mm，長度大于2.65m，粘貼碳纖維時按原來受拉鋼筋的配置方式，其粘貼在相應(yīng)位置的混凝土表面上，且纖維方向沿著牛腿方向呈射線狀布置。在碳纖維表面增加防護(hù)砂漿涂抹，以提高耐久性。

在閘墩和牛腿的加固施工階段，考慮保留一定的安全裕度，在根據(jù)閘墩和牛腿受力集中區(qū)域，均布置了碳纖維布，并在兩端采用寬10cm的鋼板壓條。

4 檢修平臺梁板加固

灌溉與發(fā)電輸水放空洞事故閘門檢修平臺梁板加固設(shè)計參照GB 50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》和橋梁結(jié)構(gòu)加固方法，在需要加固的主、次梁底部軸線位置設(shè)2條300g/m2碳纖維布，雙層，條寬150mm。粘貼方向與梁的軸線方向平行水平布置，碳纖維布的長度與梁跨相同，并在碳纖維布延伸長度范圍內(nèi)，均勻設(shè)置U形箍，中間箍凈間距0.20m，端部各設(shè)置1道對端箍。對端箍寬度為200mm，中間箍寬度為100mm，U形箍的厚度不小于碳纖維復(fù)合材料的1/2。U形箍的粘貼高等為梁的截面高度，U形箍的上端粘貼縱向壓條予以錨固。在梁加固范圍內(nèi)，棱角應(yīng)在粘貼前通過打磨加以圓化，圓化半徑為25mm。梁板橫斷面加固補(bǔ)強(qiáng)見圖2。

圖2 梁板橫斷面加固補(bǔ)強(qiáng)示意圖

5 碳纖維布的施工要求

(1)加固前應(yīng)卸除混凝土構(gòu)件上的大部分荷載，施工環(huán)境溫度、閘墩溫度必須大于5℃，空氣濕度應(yīng)小于85%。

(2)碳纖維布是施工工序:加固區(qū)表面處理—涂刷底膠—修補(bǔ)整平—粘貼碳纖維布—養(yǎng)護(hù)固化—質(zhì)量檢驗—防護(hù)處理［3］。

(3)碳纖維布在受力方向上應(yīng)粘貼平直，不得彎曲。粘合劑必須充分滲透，排出空氣。

(4)粘貼作業(yè)全部工序必須在規(guī)定的時間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，以免影響各層次的粘接效果。若兩道工序施工間隔超出了規(guī)定的期限或遇雨水沖刷、結(jié)露、灰塵沾染，則應(yīng)對已完成的作業(yè)面采取必要的表面處理措施后再繼續(xù)施工，處理操作不得傷及纖維和粘結(jié)層。

(5)碳纖維施工結(jié)束后，表面需進(jìn)行防護(hù)處理 (涂刷砂漿等)。表面防護(hù)材料應(yīng)對碳纖維和膠粘劑無害，且與膠粘劑應(yīng)能可靠的粘結(jié)強(qiáng)度和相互協(xié)調(diào)的變形性能。

(6)工程結(jié)束均應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場粘接性能檢驗，檢驗結(jié)果以破壞發(fā)生在混凝土上為合格;如破壞發(fā)生纖維層或粘合劑層，則應(yīng)查明原因確定是否重新施工。

6 結(jié)語

碳纖維布加固技術(shù)是一種新穎的加固方法，在工民建、橋梁、隧道等行業(yè)均有成功案例，但在大型水利工程中的應(yīng)用并不多見。碳纖維布具有強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕性好、對原構(gòu)件擾動小、施工簡便、工期短、造價低等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中有廣闊的應(yīng)用前景。南江水庫加固改造工程在閘墩、牛腿和梁板加固中均采用該技術(shù)，效果較好，可供類似工程借鑒。

［1］袁海軍，姜紅.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］劉小明.碳纖維復(fù)合材料 (CFRP)加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用 ［J］.大壩與安全，2003(1):49-52.