卜良桃，劉尚凱，劉嬋娟，吳康權

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙　410082)

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預應力與外包水泥基灌注料加固大跨度RC空間桁架性能試驗研究*1

卜良桃?，劉尚凱，劉嬋娟，吳康權

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙410082)

摘要：以某島外引水渡槽桁架為工程背景，提出了采用預應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、應變(應力)等數(shù)值變化，將測試結果與有限元軟件計算結果進行比較分析，研究了桁架加固后的力學性能.試驗結果表明，預應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構承載力，且新增結構層與原結構共同工作及變形協(xié)調較好，加固效果較為理想.

關鍵詞：桁架結構；預應力；加固；靜載試驗

國內外體外預應力技術用于橋梁加固方面的實踐證明，該技術可保證結構的整體性，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].由于增設的體外預應力鋼筋布置于混凝土截面之外,因而保證了新增體外預應力鋼筋在結構的使用期限內不發(fā)生銹蝕,才能使加固后的結構具有良好的耐久性.本文以某島外引水渡槽工程桁架為例，針對其質量缺陷，提出了預應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、應變(應力)等數(shù)值變化，將測試結果與有限元軟件計算結果進行比較分析，研究了桁架結構加固后的力學性能.試驗結果表明，預應力與外包水泥基灌注料加固桁架程度地提高桁架結構承載力，且新增結構層與原結構共同工作及變形協(xié)調較好，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，設計使用年限50年，設計水流量為3.5 m3/s，桁架單跨跨度為40.2 m，共102跨.上部承重結構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構橫向聯(lián)系(連桿、支撐等)形成支承引水渡槽的承重體系.桁架內擱置渡槽，渡槽槽身采用厚9.5 cm預制鋼筋砼結構，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構，立柱基礎采用鉆孔灌注樁或擴展基礎.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)相關單位現(xiàn)場檢測及計算復核，該桁架存在鋼筋混凝土主桁架的下弦拉桿原設計主筋配置偏少、節(jié)點施工質量差、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.

圖1　 桁架立面布置及桿件編號示意圖(單位：mm)

2加固方案

下弦桿為關鍵加固部可位，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]、預應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件外部相應部位，以達到構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”地增加構件的抗拉承載力，只有在桁架結構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，預應力與外包水泥基灌注料加固法特點有：1)新增預應力筋能彌補原設計配筋不足；2)體外施加預應力法“主動”補充預應力，新增預應力筋能較快的與原結構共同參與工作，結構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，與原結構材性接近，不會形成不相容的隔離層，抗老化、風化性能好，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根預應力筋后外包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.預應力筋采用直徑15.2 mm (1×7)，強度標準值為1 860 MPa的低松弛有粘結預應力鋼絞線，其性能應滿足《預應力混凝土用鋼絞線》(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《預應力筋用錨具、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，預應力筋張拉控制應力為930 MPa.張拉時應采用應力控制，應變校核的方法進行.實測伸長值與計算值的偏差應在-6%～+6%范圍之內.施工中做現(xiàn)場施加預應力記錄.

該桁架加固除主要對下弦桿采用預應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合砂漿修補[7-9]，以提高其耐久性.加固方案見圖2.

圖2　加固方案簡圖

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、應變(應力)等數(shù)值的變化，并將測試結果與理論計算結果進行了比較.

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.

應變(應力)測試采用全自動數(shù)據(jù)采集BZ2205C靜態(tài)應變儀.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片應變片，原結構鋼筋應變片2片，新增預應力筋應變片2片，均沿著鋼筋受力方向粘貼.應變片粘貼的具體位置及編號如圖3所示，S1～S2為新增預應力筋應變片，S3～S4為原結構鋼筋應變片.

試驗開始之前，在渡槽內側先標注好水深刻度.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注水.從空槽到設計水深歷時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.

圖3　應變片粘貼位置示意圖

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)控制測點應變值達到或超過計算理論值；

3)由于水荷載試驗導致結構出現(xiàn)非正常局部損傷，影響到渡槽工程桁架結構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.

圖4　現(xiàn)場靜載試驗

4試驗結果

4.1撓度測試結果

桁架在不同水深作用下，各測點撓度與水深關系見圖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)基本呈線性關系.

水深/m

4.2應變(應力)測試結果

桁架在不同水深作用下，應變值隨水深變化實測值如圖6所示,圖7所示.應變測試值均為正值，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)，拉應變呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢.根據(jù)應變結果，渡槽滿槽(水深1.5 m)時，該測點出現(xiàn)峰值應力分別為：σ1=130.26MPa，σ2=128.70MPa，σ3=127.80MPa，σ4=129.40MPa.

從圖6及圖7可以看出，應變值與水深基本呈線性關系，應變隨著水深增加而逐漸增大.試驗結果表明：加固預應力筋與原結構鋼筋共同工作，變形協(xié)調較好.

水深/m

水深/m

5 試驗結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，結構受力較為復雜，計算時采用結構分析軟件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，逐步進行結構計算，獲取測點的撓度、應變(應力)等控制數(shù)據(jù)，為在試驗過程中設置安全預警值提供依據(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

圖8　空間有限元計算模型

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、應力(應變)等結果，為結構的實際受力狀況評價提供理論依據(jù).

5.2撓度測試結果與計算分析

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應變(應力)測試結果與計算分析

在渡槽滿槽(水深1.5 m)時，荷載作用下的應力實測值與有限元計算值如表2所示，桁架結構應力校驗系數(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.

表1　撓度(滿槽)試驗實測值與有限元計算值比較

表2　應力(滿槽)試驗實測值與有限元計算值比較

5結論

1)對某大跨度鋼筋混凝土空間桁架加固后進行靜載試驗，通過測試結構撓度、應變(應力)及殘余變形等各項指標，并與有限元計算結果進行對比分析結果表明，該桁架靜載試驗結果與有限元計算結果比較吻合，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)采用預應力與外包水泥基灌注料加固大跨度空間桁架結構能夠在較大程度上提高桁架結構承載力，且新增結構層與原結構共同工作及變形協(xié)調較好，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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Experimental Study on the Performance of Prestressed Force and Outsourcing Cement Filling Material Strengthening Large Span RC Space Truss

BU Liang-tao?，LIU Shang-kai，LIU Chan-juan，WU Kan-quan

(College of Civil Engineering, Hunan Univ,Changsha, Hunan410082, China )

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 in-situ 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

中圖分類號：TU317.1

文獻標識碼：A

作者簡介：卜良桃(1963-)，男,湖南南縣人,湖南大學教授,博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:plt63@163.com

*收稿日期：2015-02-06基金項目：國家自然科學基金資助項目(51278187),National Natrual Science Foundqation of China(51278187);國家火炬計劃項目(SQ2013GHD200083B00)

文章編號：1674-2974(2016)01-0083-06