喻成田大作王祥蔣首超

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長沙市410007；3.同濟(jì)大學(xué)上海市200092）

外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架法在石洞江渡槽排架加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

喻成1，2田大作1，2王祥1，2蔣首超3

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心長沙市410007；3.同濟(jì)大學(xué)上海市200092）

針對(duì)湖南省歐陽海灌區(qū)石洞江渡槽安全鑒定中明確的渡槽病險(xiǎn)問題，結(jié)合其除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架法在渡槽排架加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，采用三維結(jié)構(gòu)有限元分析軟件（DLUBAL RFEM 3D）對(duì)加固方案進(jìn)行模擬分析計(jì)算，結(jié)果表明當(dāng)采用該加固方案時(shí)，石洞江渡槽排架混凝土、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均減小到允許范圍內(nèi)，排架結(jié)構(gòu)頂部位移亦可明顯降低，并簡(jiǎn)述了該加固方法的技術(shù)特點(diǎn)及施工工藝，為類似工程提供參考。

外包鋼預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)渡槽排架加固設(shè)計(jì)工程應(yīng)用

引言

外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)是一種介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的組合結(jié)構(gòu)型式，構(gòu)造特點(diǎn)是采用外包角鋼代替構(gòu)件內(nèi)配筋，設(shè)置在構(gòu)件的四角,并與混凝土面齊平，角鋼之間用鋼筋焊接構(gòu)成骨架它兼有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特征和優(yōu)點(diǎn)[1]，國外對(duì)它的研究始于20世紀(jì)60年代初，我國則于80年代初開始對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，取得了一定的成果，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)先后已有電力、石油、輕工、冶金等部門約20多個(gè)工程采用了外包鋼結(jié)構(gòu)，有的投入了使用?？紤]到經(jīng)濟(jì)技術(shù)措施和加固效果，該結(jié)構(gòu)適用范圍仍在擴(kuò)大，而且多用于梁、柱的加固，特別是軸心受壓柱的外包鋼加固更為廣泛，效果更好[2～3]。

針對(duì)石洞江渡槽排架存在的問題，由于排架本身高度較高，大部分排架高度大于20 m，最大的達(dá)28 m左右，風(fēng)荷載對(duì)排架頂部位移影響較大，原排架框架結(jié)構(gòu)體系抗彎效果較差，若采用單純的外包鋼排架柱的方式，只能解決排架柱的受壓?jiǎn)栴}，不能減少風(fēng)荷載對(duì)其頂部位移的影響[4～5]，故經(jīng)方案比選，在采用濕式外包鋼排架柱的同時(shí)，將原排架框架體系改為預(yù)應(yīng)力桁架體系，就能較好地解決這些病險(xiǎn)問題，模擬分析計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)采用上述加固方案時(shí)，渡槽排架混凝土、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均減小到允許范圍內(nèi)，排架結(jié)構(gòu)頂部位移亦可明顯降低，效果良好。

1 工程概況

石洞江渡槽工程位于湖南省衡陽耒陽市洲陂鄉(xiāng)境內(nèi)，樁號(hào)：東支干渠41+055～42+147，全長1 092 m，共31跨，設(shè)計(jì)流量13.5 m3/s，加大流量14.69 m3/s，縱坡1/1 500，糙率0.011，設(shè)計(jì)水深2.11 m，加大水深2.22 m，設(shè)計(jì)流速2.29 m/s，加大流速2.33 m/s，超高0.38 m，總水頭損失1.02 m。

渡槽槽壁厚0.05 m，凈寬3.4 m，凈深2.6 m，結(jié)構(gòu)型式均為單排架簡(jiǎn)支不等跨變截面雙懸臂“U”型槽，槽身標(biāo)準(zhǔn)段為36 m跨雙懸，排架斷面尺寸0.35 m×0.9 m，原設(shè)計(jì)最大高度27.97 m，基礎(chǔ)62個(gè)?！皻げ邸辈牧蠟榧咏钿摻z網(wǎng)水泥砂漿，鋼絲的直徑1 mm，鋼絲網(wǎng)格為10 mm×10 mm，環(huán)向、縱向、斜向加筋直徑6 mm；“殼槽”內(nèi)緣（即臨水面）設(shè)有玻璃纖維增強(qiáng)塑料；槽身和排架采用預(yù)制吊裝施工。“殼槽”400#砂漿和500#砂漿用量?jī)H873 m3，鋼絲網(wǎng)用量?jī)H59 t，加筋量?jī)H78 t。

石洞江渡槽工程于1970年通水運(yùn)行，至今已有40多年，出現(xiàn)過一些隱患，這些隱患中的部分已作過一些處理，但由于資金問題，前期工作深度不夠等原因，對(duì)渡槽加固處理不徹底，目前渡槽仍存在部分工程隱患及問題有待進(jìn)一步加固處理，為此，在除險(xiǎn)加固前對(duì)其進(jìn)行了全面的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和模擬計(jì)算分析。

1.1 渡槽排架現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果認(rèn)為，排架普遍存在混凝土保護(hù)層剝落或翹起，鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象。綜合檢查結(jié)果，根據(jù)老損程度的不同，將排架當(dāng)前整體老損情況分為以下4個(gè)等級(jí)：輕度、中度、較嚴(yán)重、嚴(yán)重。

其中露筋與剝落情況嚴(yán)重的有8#、9#、10#、11#、13#、14#、15#、18#、38#；露筋與剝落情況較為嚴(yán)重的有：17#、19#、25#、37#、46#。剝落或翹起露筋情況見圖1、圖2所示。

圖1 立柱外側(cè)剝落和露筋問題

圖2 橫梁底部剝落和露筋問題

此外，排架混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度推定值為16 MPa，排架豎梁不同側(cè)面保護(hù)層厚度不一，大多數(shù)部位不滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定的最小保護(hù)層厚度規(guī)定，且排架梁表層混凝土碳化深度整體均較大（26 mm～35 mm），均超過保護(hù)層厚度。

排架混凝土外部剝落或翹起部位鋼筋銹蝕嚴(yán)重，局部表層呈酥松銹塊狀，有效截面積較大程度減少；而且剝起部位鋼筋銹蝕向未剝起部位發(fā)展，且影響（或發(fā)展）范圍較大；保護(hù)層完好部位鋼筋較為完好，僅表層稍有氧化，鋼筋有效截面積受影響較小。

1.2 渡槽排架受力結(jié)構(gòu)分析

為和現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，這里采用2 m水深的情況，采用三維結(jié)構(gòu)有限元分析軟件（DLUBAL RFEM 3D）對(duì)9#渡槽進(jìn)行分析[6～7]。9#渡槽相應(yīng)的模型如圖3所示。為進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，荷載和結(jié)構(gòu)模型按照原檢測(cè)報(bào)告取用。

圖3 渡槽9#槽段三維有限元模型

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果：排架立柱內(nèi)側(cè)碳化深度（21～ 27）mm，外側(cè)碳化深度（33～41）mm，所以排架立柱截面由350 mm×900 mm減小為：280 mm×830 mm。

槽身薄殼水泥砂漿構(gòu)件的強(qiáng)度推定值為26 MPa，碳化深度（1～2）mm，存在鋼筋外露和鋼絲網(wǎng)銹蝕問題，所以渡槽薄殼部分的厚度由50 mm修改為45 mm。

槽身上部大頭混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度推定值為17 MPa，碳化深度30 mm左右，所以上部大頭部分的混凝土厚度由300 mm修改為240 mm。

三維有限元模型及計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

經(jīng)計(jì)算，排架結(jié)構(gòu)立柱和橫梁的軸力和彎矩結(jié)果如表1所示，與檢測(cè)結(jié)果相比，二者表現(xiàn)基本一致。在設(shè)計(jì)荷載作用下，考慮混凝土材料非線性和幾何非線性的情況下，排架頂部位移分別達(dá)到41 mm和45 mm。

因此，排架結(jié)構(gòu)復(fù)核存在以下問題：①原設(shè)計(jì)排架柱截面尺寸偏?。涸谠O(shè)計(jì)荷載組合（自重+風(fēng)荷）和校核荷載組合（自重+設(shè)計(jì)輸水+風(fēng)荷）情況下，排架柱根部以及下部橫梁連接部柱體中的豎向壓應(yīng)力均超過了排架現(xiàn)狀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度推薦等級(jí)相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，且現(xiàn)排架柱已發(fā)生銹脹破壞，其有效截面正在不斷減小。②保護(hù)層厚度及最小配筋率不滿足要求：原設(shè)計(jì)排架柱等結(jié)構(gòu)主筋的混凝土保護(hù)層厚度為25 mm、最小配筋率為0.24%，均小于現(xiàn)行《水工砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)強(qiáng)制性條文的規(guī)定。③混凝土強(qiáng)度不滿足要求：原設(shè)計(jì)排架混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，不滿足現(xiàn)行《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于設(shè)計(jì)使用年限為50年的水工結(jié)構(gòu)，配筋混凝土耐久性的要求。④原設(shè)計(jì)單排架柱與橫梁均為直角正交，之間未設(shè)貼角，梁柱結(jié)構(gòu)點(diǎn)處鋼筋配置也不盡與現(xiàn)行規(guī)范要求相符。

圖4 排架立柱軸力圖

圖5 排架立柱彎矩圖

圖6 排架橫梁彎矩圖

圖7 排架頂部位移圖

表1 有限元結(jié)果與檢測(cè)內(nèi)力對(duì)比

2 排架加固設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)排架存在的問題，對(duì)排架提出以下幾種加固方案，方案內(nèi)容如下：

方案一：外包鋼加固排架結(jié)構(gòu)：外包鋼結(jié)構(gòu)加固采用在原排架結(jié)構(gòu)立柱四角增加L125×8，同時(shí)增加環(huán)箍。

當(dāng)采用外包鋼加固并采用L125×8的角鋼時(shí)，在最不利荷載組合工況下，鋼筋和角鋼的最大應(yīng)力為62.1 MPa，混凝土立柱最大壓應(yīng)力為6.7 MPa。低于混凝土的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力（9.6 MPa），所以采用外包鋼的結(jié)構(gòu)加固能夠滿足強(qiáng)度要求。在垂直水流方向和順?biāo)鞣较蚩v向風(fēng)荷載作用下的排架頂部位移分別為：20.7 mm和39.8 mm。

方案二：整體加大截面加固排架結(jié)構(gòu)：?jiǎn)渭兊牟捎肅40灌漿材料加固整個(gè)排架，加固厚度為100 mm，以增加排架結(jié)構(gòu)斷面。

當(dāng)對(duì)排架結(jié)構(gòu)立柱和橫梁均采用加大截面加固，混凝土的最大壓應(yīng)力可降低至5.3 MPa，小于混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（9.6 MPa），鋼筋最大應(yīng)力為：126.0 MPa?？梢?，采用加大截面加固后，混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)排架進(jìn)行加大截面加固后，在橫向風(fēng)和縱向風(fēng)荷載作用下排架頂部位移分別為：17 mm和28 mm，可見，當(dāng)只對(duì)立柱進(jìn)行加大截面加固時(shí)，對(duì)排架結(jié)構(gòu)的剛度提高明顯。

方案三：外包鋼+桁架結(jié)構(gòu)加固：原排架結(jié)構(gòu)為框架抗彎體系，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，改變結(jié)構(gòu)體系，將原來框架體系改為桁架體系，并對(duì)立柱進(jìn)行包鋼加固時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均貢獻(xiàn)較大。其中桁架腹桿采用四根L100×12角鋼（只考慮受拉），立柱四角采用四根L125×8角鋼+PL100×6@400環(huán)板。

當(dāng)采用改變結(jié)構(gòu)體系+外包鋼加固時(shí)，混凝土的最大壓應(yīng)力可降低至5.4 MPa，小于混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（9.6 MPa），原鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為67 MPa，小于鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（215 MPa）。當(dāng)改變結(jié)構(gòu)體系時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向變形也有貢獻(xiàn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)頂部位移為10.5 mm。在縱向風(fēng)荷載作用下，排架頂部最大位移為：39.7 mm，加固后混凝土最大壓應(yīng)力為6.3 MPa，小于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度（9.6 MPa），鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為67 MPa，小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度（215 MPa）。

通過對(duì)加固后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析：結(jié)構(gòu)第一階振型仍然和原結(jié)構(gòu)基本相同，自振周期仍為3.7 s。而第二、三階自振周期分別為：1.06 s和1.04 s，自振周期小于原結(jié)構(gòu)自振周期（1.18 s和1.17 s），說明加固后比原結(jié)構(gòu)剛度有所提高。這在位移的計(jì)算結(jié)果中亦有所體現(xiàn)。所以，采用外包鋼+桁架結(jié)構(gòu)時(shí)，有效改變了原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

方案四：外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架加固：在方案三的基礎(chǔ)上，并對(duì)加固的桁架腹桿施加預(yù)應(yīng)力（10 kN），同時(shí)采用改變排架結(jié)構(gòu)體系為桁架結(jié)構(gòu)、外包鋼加固及施加預(yù)應(yīng)力，從而使已經(jīng)發(fā)生裂縫的混凝土立柱裂縫閉合，減小橫向變形，恢復(fù)原狀，見圖8～圖10。

圖8 采用方案四加固后排架混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

施加預(yù)應(yīng)力后，在最不利荷載作用下，混凝土最大壓應(yīng)力為：6.3 MPa。最大鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力為65.2 MPa，均小于許用應(yīng)力。在垂直水流方向風(fēng)荷載作用下，排架結(jié)構(gòu)頂部位移為9.7 mm，在順?biāo)鞣较蚩v向風(fēng)荷載作用下，排架結(jié)構(gòu)頂部位移為：39.4 mm。

2.2 方案比選

對(duì)排架以上4個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，可以看出：

①各種加固方法均能降低混凝土立柱和橫梁的應(yīng)力，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；②對(duì)橫梁和立柱同時(shí)進(jìn)行加大截面加固時(shí)，對(duì)減小垂直水流方向的排架位移貢獻(xiàn)明顯；③采用外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架法加固時(shí)，垂直水流方向的剛度提高幅度最大；④單純對(duì)立柱進(jìn)行加大截面加固時(shí)，順?biāo)鞣较虻膭偠忍岣叻茸畲?；⑤在改變結(jié)構(gòu)體系的方案中，對(duì)腹桿施加預(yù)應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承載能力影響不大。

結(jié)果見表2。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本次推薦方案四作為排架加固改造方案，加固設(shè)計(jì)示意圖見圖11。

圖9 采用方案四加固后排架鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖10 采用方案四加固后排架頂部位移圖

3 施工工藝

排架柱外包角鋼，以鋼箍綴板焊接固定，角鋼與混凝土柱構(gòu)件間滿注結(jié)構(gòu)膠，角柱增加縱向中條板兩道。混凝土柱根部采用增大加固法，錨植鋼筋，澆筑新混凝土，擴(kuò)大承臺(tái)，提高構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，并增加了構(gòu)件的剛度[8～9]。

表2 排架加固改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性比較表

圖1 1渡槽排架加固設(shè)計(jì)示意圖

濕式外包鋼加固法施工時(shí)加固結(jié)合面和鋼板貼合面處理是加固施工的關(guān)鍵過程。

3.1 濕式外包鋼構(gòu)件表面處理

（1）鑿去結(jié)合面風(fēng)化酥松、碳化銹裂層以及油污層，直至完全露出堅(jiān)實(shí)的基層。

（2）將結(jié)合面打磨平整，四角，磨出小圓角，用鋼絲刷刷毛，用壓縮空氣吹凈。

（3）角鋼、扁鋼及箍板的結(jié)合面應(yīng)除銹、打磨并用丙酮或二甲苯擦凈。

3.2 環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿濕法外包鋼工藝

（1）在混凝土的結(jié)合面刷一薄層環(huán)氧樹脂漿。

（2）用卡具將角鋼及扁鋼箍卡貼于構(gòu)件預(yù)定結(jié)合面，經(jīng)校準(zhǔn)后彼此焊接，扁鋼箍應(yīng)緊貼混凝土表面，并與角鋼平焊連接，否則應(yīng)用環(huán)氧樹脂砂漿填滿其縫隙。

（3）用環(huán)氧膠泥將型鋼周圍封閉，在有利于灌漿的適當(dāng)位置鉆孔，粘貼灌漿嘴（一般在較低處），并留出排氣孔，間距為（2～3）m，待灌漿嘴粘牢后，通氣試壓。

（4）以相應(yīng)的壓力將環(huán)氧樹脂漿從灌漿嘴壓入，當(dāng)排氣孔出現(xiàn)漿液后，停止加壓，以環(huán)氧膠泥封堵排氣孔，再以較低壓力維持十分鐘以上方可停止灌漿。

（5）灌漿后不應(yīng)再對(duì)型鋼骨架進(jìn)行捶擊、移動(dòng)和焊接。

3.3 外包鋼加固的防護(hù)

外包鋼加固混凝土構(gòu)件時(shí)，型鋼表面必須進(jìn)行防護(hù)處理。可以在外包鋼的表面點(diǎn)焊一層鋼絲，然后用1∶3水泥砂漿抹25 mm厚的保護(hù)層，亦可采用聚合物砂漿或其他飾面材料加以保護(hù)。

4 結(jié)語

石洞江渡槽工程于1969年春竣工，灌區(qū)于1970年投入運(yùn)行，運(yùn)行年限達(dá)40多年，槽身和排架存在諸多病險(xiǎn)問題。渡槽下游干渠長，下游轄灌面積大。一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情，將造成巨大損失，且工程恢復(fù)工期長。因此，對(duì)該渡槽盡快進(jìn)行除險(xiǎn)加固極為重要。

通過對(duì)渡槽排架的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和模擬分析計(jì)算，探明了排架存在的問題，針對(duì)這些問題，比選了4種排架加固方案，以排架混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力、排架頂部位移等參數(shù)為依據(jù)，選擇方案四：外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架法作為石洞江渡槽排架加固設(shè)計(jì)方案。

采用外包鋼+預(yù)應(yīng)力桁架法加固，經(jīng)分析計(jì)算，在最不利荷載作用下，排架混凝土最大壓應(yīng)力為：6.3 MPa；最大鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力為65.2 MPa，均小于許用應(yīng)力。在垂直水流方向風(fēng)荷載作用下，排架結(jié)構(gòu)頂部位移為9.7 mm，在順?biāo)鞣较蚩v向風(fēng)荷載作用下，排架結(jié)構(gòu)頂部位移為：39.4 mm，設(shè)計(jì)上基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS25∶90．混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，1991.

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2016-10-30）

喻成（1986-），男，湖南常德人，碩士研究生，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)與大壩安全管理研究工作，手機(jī)：15111060608。