卜良桃　劉尚凱　劉嬋娟　吳康權(quán)

摘要：以某島外引水渡槽桁架為工程背景，提出了采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料對鋼筋混凝土桁架下弦桿進行加固的方法，并采用分級加載的試驗方法，在加固后的桁架上進行了原位靜載試驗，測試了桁架主要控制截面在各級荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值變化，將測試結(jié)果與有限元軟件計算結(jié)果進行比較分析，研究了桁架加固后的力學(xué)性能.試驗結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固桁架能夠較大程度地提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想.

關(guān)鍵詞：桁架結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力；加固；靜載試驗

中圖分類號：TU317.1 文獻標識碼：A

Abstract：Based on the engineering background of an island water diversion aqueducts truss， this paper put forward a method using prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen the bottom chord of reinforced concrete truss， used the hierarchical load test method to carry out insitu static load experiment on the strengthened truss， tests deflection， strain（stress） value and their changes of the main control section of truss at different levels of loads， made a comparative analysis of the test results， calculated the value of finite element method， and obtained the mechanical performance of the truss after reinforcement. The experimental results show that the use of prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen truss can improve the bearing capacity of truss structures to a great extent， and new structural layers can work with the original structural layers and their deformation coordination is good. The reinforcement effect is also ideal.

Key words： truss structure； prestressed force； reinforcement ； static load test

國內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于橋梁加固方面的實踐證明，該技術(shù)可保證結(jié)構(gòu)的整體性，新舊體系協(xié)同工作良好，不僅克服了其他加固方法加固材料存在的應(yīng)力滯后問題，還可減小撓度和裂縫寬度，提高橋梁承載能力[1-3].由于增設(shè)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于混凝土截面之外，因而保證了新增體外預(yù)應(yīng)力鋼筋在結(jié)構(gòu)的使用期限內(nèi)不發(fā)生銹蝕，才能使加固后的結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性.本文以某島外引水渡槽工程桁架為例，針對其質(zhì)量缺陷，提出了預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料對桁架下弦桿進行加固的方法，并采用分級加載的試驗方法，在加固后的桁架上進行了原位靜載試驗，測試了桁架主要控制截面在各級荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值變化，將測試結(jié)果與有限元軟件計算結(jié)果進行比較分析，研究了桁架結(jié)構(gòu)加固后的力學(xué)性能.試驗結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固桁架程度地提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想.

1工程概況

某排架柱鋼筋混凝土桁架拱式引水渡槽，設(shè)計使用年限50年，設(shè)計水流量為3.5 m3/s，桁架單跨跨度為40.2 m，共102跨.上部承重結(jié)構(gòu)主要采用簡支梁型下承式桁架，由兩榀平行鋼筋混凝土主桁架以及主桁架間鋼結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系（連桿、支撐等）形成支承引水渡槽的承重體系.桁架內(nèi)擱置渡槽，渡槽槽身采用厚9.5 cm預(yù)制鋼筋砼結(jié)構(gòu)，單節(jié)長度2.5 m.桁架支座立柱采用鋼筋混凝土雙柱式結(jié)構(gòu)，立柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁或擴展基礎(chǔ).桁架拱由上、下弦桿、腹桿（豎桿、斜桿）組成，其中上弦桿為2次拋物線曲桿，截面尺寸為300 mm×260 mm；下弦桿截面尺寸為260 mm×340 mm；豎桿截面尺寸為200 mm×160 mm；斜桿截面尺寸有200 mm×160 mm和200 mm×250 mm 2種；桿件混凝土強度等級為C35.桁架立面布置及桿件編號示意圖如圖1所示.

在本工程試通水引水后，渡槽有1跨出現(xiàn)垮塌事故，經(jīng)相關(guān)單位現(xiàn)場檢測及計算復(fù)核，該桁架存在鋼筋混凝土主桁架的下弦拉桿原設(shè)計主筋配置偏少、節(jié)點施工質(zhì)量差、混凝土強度偏低等問題，需對鋼筋混凝土桁架進行加固處理.

2加固方案

下弦桿為關(guān)鍵加固部可位，若采取加固措施，初步分析可對桁架的薄弱桿件采取2種加固方案，即粘貼碳纖維布加固法[4]、預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固法.

方案1，粘貼碳纖維布加固法主要是靠粘貼碳纖維布來增加桿件抗拉能力，應(yīng)用配套樹脂膠黏劑將碳纖維粘貼于承載力不滿足要求的混凝土構(gòu)件外部相應(yīng)部位，以達到構(gòu)件滿足承載力要求的一種補強加固方法.其加固原理是利用其配套樹脂的剪切強度將混凝土構(gòu)件承載的荷載傳遞給碳纖維布，使后粘貼碳纖維布和原鋼筋混凝土構(gòu)件共同承受荷載作用力.碳纖維布的抗拉強度較高，但卻是“被動”地增加構(gòu)件的抗拉承載力，只有在桁架結(jié)構(gòu)受力較大時才能得以體現(xiàn)，且施工成本較高，耐老化性能差.

方案2，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固法特點有：1）新增預(yù)應(yīng)力筋能彌補原設(shè)計配筋不足；2）體外施加預(yù)應(yīng)力法“主動”補充預(yù)應(yīng)力，新增預(yù)應(yīng)力筋能較快的與原結(jié)構(gòu)共同參與工作，結(jié)構(gòu)承載力能夠得到較大的提高；3）外包水泥基灌注料屬于無機材料，與原結(jié)構(gòu)材性接近，不會形成不相容的隔離層，抗老化、風(fēng)化性能好，耐久性較好.經(jīng)方案對比論證，該桁架采用方案2進行加固[5-6].即在下弦桿四周對稱安裝4根預(yù)應(yīng)力筋后外包C60水泥基灌注料.C60水泥基灌注料由湖南固力工程新材料有限公司提供.預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.2 mm （1×7），強度標準值為1 860 MPa的低松弛有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其性能應(yīng)滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）的規(guī)定.張拉端采用夾片式錨具，固定端采用擠壓錨，其性能必須滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》GB/T 14370的要求并達到 I類錨具的要求.經(jīng)計算，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為930 MPa.張拉時應(yīng)采用應(yīng)力控制，應(yīng)變校核的方法進行.實測伸長值與計算值的偏差應(yīng)在-6%～+6%范圍之內(nèi).施工中做現(xiàn)場施加預(yù)應(yīng)力記錄.

該桁架加固除主要對下弦桿采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固外，還對豎桿進行了加強處理，同時對斜桿和上弦桿表面施工缺陷采用了高性能水泥復(fù)合砂漿修補[7-9]，以提高其耐久性.加固方案見圖2.

3靜載試驗

采用原位靜水試驗、分級加載的方法[10-12]，測試了試驗跨其中一榀桁架主要控制截面在各級靜力水荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值的變化，并將測試結(jié)果與理論計算結(jié)果進行了比較.

撓度測試布置3個測試位置，分別位于桁架下弦桿左右1/4跨和跨中.所采用的儀表為機械式千分表.

應(yīng)變（應(yīng)力）測試采用全自動數(shù)據(jù)采集BZ2205C靜態(tài)應(yīng)變儀.選取主要控制截面為桁架下弦桿受力最大的跨中截面（即下弦桿的第8根）.本試驗分別粘貼了4片應(yīng)變片，原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變片2片，新增預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變片2片，均沿著鋼筋受力方向粘貼.應(yīng)變片粘貼的具體位置及編號如圖3所示，S1～S2為新增預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變片，S3～S4為原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變片.

試驗開始之前，在渡槽內(nèi)側(cè)先標注好水深刻度.將粘土分裝入塑料編織袋，然后在所試驗槽身段兩端用分裝好的土袋堆砌成擋水壩，與渡槽上邊緣平齊.然后用1臺功率為1 500 W的抽水泵從下游向槽身內(nèi)注水.從空槽到設(shè)計水深歷時24 h.由于抽水流量小，加載時間長，水深變化緩慢，因此，可以認為這種荷載為靜力荷載.不必考慮加速度及慣性力的作用.

本試驗加載分段分級進行.以每200 mm水深荷載為一級.每級荷載持荷20 min，測讀各儀器儀表讀數(shù)，同時在加載過程中隨時觀測各控制測點的應(yīng)變、撓度變化情況，保證試驗安全順利進行，按此加載方式直至滿槽（水深1.5 m）.最后在水荷載卸載完成并穩(wěn)定20 min后，測讀各測點的殘余變形.

在試驗加載過程中，對本試驗安全作出如下預(yù)案，若加載試驗發(fā)生下列情形之一，立即終止試驗并將水迅速放掉：

1）控制測點變形達到或超過規(guī)范允許值；

2）控制測點應(yīng)變值達到或超過計算理論值；

3）由于水荷載試驗導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常局部損傷，影響到渡槽工程桁架結(jié)構(gòu)的承載力和正常使用.

從現(xiàn)場測試情況來看，加載過程非常順利，加載效果比較理想；上述情況實際并未發(fā)生.現(xiàn)場靜載試驗如圖4所示.

4試驗結(jié)果

4.1撓度測試結(jié)果

桁架在不同水深作用下，各測點撓度與水深關(guān)系見圖5.從圖中可以看出，桁架各測點撓度隨著水深的不斷增加而增大.試驗數(shù)據(jù)表明：實測撓度值與水深（荷載）基本呈線性關(guān)系.

4.2應(yīng)變（應(yīng)力）測試結(jié)果

桁架在不同水深作用下，應(yīng)變值隨水深變化實測值如圖6所示，圖7所示.應(yīng)變測試值均為正值，表明桁架下弦桿處于受拉狀態(tài).隨著水深的抬高（荷載的增大），拉應(yīng)變呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢.根據(jù)應(yīng)變結(jié)果，渡槽滿槽（水深1.5 m）時，該測點出現(xiàn)峰值應(yīng)力分別為：σ1=130.26 MPa，σ2=128.70 MPa，σ3=127.80 MPa，σ4=129.40 MPa.

從圖6及圖7可以看出，應(yīng)變值與水深基本呈線性關(guān)系，應(yīng)變隨著水深增加而逐漸增大.試驗結(jié)果表明：加固預(yù)應(yīng)力筋與原結(jié)構(gòu)鋼筋共同工作，變形協(xié)調(diào)較好.

5 試驗結(jié)果和理論計算的比較與分析

5.1有限元模型的建立與修正

該桁架為空間桁架體系，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，計算時采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進行，該程序在靜動力計算方面具有速度快，精度高的特點.空間有限元計算模型見圖8.

試驗前，根據(jù)原設(shè)計要求及靜水試驗的水加載方案，按照分級加載方式，逐步進行結(jié)構(gòu)計算，獲取測點的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等控制數(shù)據(jù)，為在試驗過程中設(shè)置安全預(yù)警值提供依據(jù).

試驗后，根據(jù)試驗過程中實際測量的加載方式、測試當天的溫度及風(fēng)壓變化等參數(shù)，在計算過程中，對有限元模型的參數(shù)進行修正，使模型與實際加載

狀況盡量一致，然后對試驗加載過程進行精細化分析，計算出各控制截面的撓度、應(yīng)力（應(yīng)變）等結(jié)果，為結(jié)構(gòu)的實際受力狀況評價提供理論依據(jù).

5.2撓度測試結(jié)果與計算分析

在渡槽滿槽（水深1.5 m）時，荷載作用下的撓度實測值與有限元計算值如表1所示，撓度校驗系數(shù)在0.958～0.968之間，表明試驗實測值與有限元計算值比較吻合.卸載后相對殘余變形在7.90%～8.64%之間，滿足規(guī)范規(guī)定的殘余變形小于20%的要求.

5.3應(yīng)變（應(yīng)力）測試結(jié)果與計算分析

在渡槽滿槽（水深1.5 m）時，荷載作用下的應(yīng)力實測值與有限元計算值如表2所示，桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗系數(shù)在0.866～0.905之間，表明試驗實測值與有限元計算值比較吻合.

5結(jié)論

1）對某大跨度鋼筋混凝土空間桁架加固后進行靜載試驗，通過測試結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）及殘余變形等各項指標，并與有限元計算結(jié)果進行對比分析結(jié)果表明，該桁架靜載試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果比較吻合，桁架下弦桿在整個靜載試驗過程中處于彈性工作狀態(tài).

2）采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)能夠在較大程度上提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想，為同類工程提供了可靠的試驗依據(jù).

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