外包鋼+預應力桁架法在石洞江渡槽排架加固設計中的應用

喻成田大作王祥蔣首超

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

外包鋼+預應力桁架法在石洞江渡槽排架加固設計中的應用

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研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007；3.同濟大學上海市200092）

針對湖南省歐陽海灌區(qū)石洞江渡槽安全鑒定中明確的渡槽病險問題，結合其除險加固工程設計實例，對外包鋼+預應力桁架法在渡槽排架加固設計中的應用進行了介紹，采用三維結構有限元分析軟件（DLUBAL RFEM 3D）對加固方案進行模擬分析計算，結果表明當采用該加固方案時，石洞江渡槽排架混凝土、鋼筋及鋼結構最大應力均減小到允許范圍內(nèi)，排架結構頂部位移亦可明顯降低，并簡述了該加固方法的技術特點及施工工藝，為類似工程提供參考。

外包鋼預應力桁架結構渡槽排架加固設計工程應用

引言

外包鋼混凝土結構是一種介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間的組合結構型式，構造特點是采用外包角鋼代替構件內(nèi)配筋，設置在構件的四角,并與混凝土面齊平，角鋼之間用鋼筋焊接構成骨架它兼有鋼結構和鋼筋混凝土結構的特征和優(yōu)點[1]，國外對它的研究始于20世紀60年代初，我國則于80年代初開始對這種結構進行研究，取得了一定的成果，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)先后已有電力、石油、輕工、冶金等部門約20多個工程采用了外包鋼結構，有的投入了使用?？紤]到經(jīng)濟技術措施和加固效果，該結構適用范圍仍在擴大，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28 m左右，風荷載對排架頂部位移影響較大，原排架框架結構體系抗彎效果較差，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問題，不能減少風荷載對其頂部位移的影響[4～5]，故經(jīng)方案比選，在采用濕式外包鋼排架柱的同時，將原排架框架體系改為預應力桁架體系，就能較好地解決這些病險問題，模擬分析計算結果表明，當采用上述加固方案時，渡槽排架混凝土、鋼筋及鋼結構最大應力均減小到允許范圍內(nèi)，排架結構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：東支干渠41+055～42+147，全長1 092 m，共31跨，設計流量13.5 m3/s，加大流量14.69 m3/s，縱坡1/1 500，糙率0.011，設計水深2.11 m，加大水深2.22 m，設計流速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，結構型式均為單排架簡支不等跨變截面雙懸臂“U”型槽，槽身標準段為36 m跨雙懸，排架斷面尺寸0.35 m×0.9 m，原設計最大高度27.97 m，基礎62個?！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）設有玻璃纖維增強塑料；槽身和排架采用預制吊裝施工?！皻げ邸?00#砂漿和500#砂漿用量僅873 m3，鋼絲網(wǎng)用量僅59 t，加筋量僅78 t。

石洞江渡槽工程于1970年通水運行，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一步加固處理，為此，在除險加固前對其進行了全面的現(xiàn)場檢測和模擬計算分析。

1.1 渡槽排架現(xiàn)場檢測情況

現(xiàn)場檢查結果認為，排架普遍存在混凝土保護層剝落或翹起，鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象。綜合檢查結果，根據(jù)老損程度的不同，將排架當前整體老損情況分為以下4個等級：輕度、中度、較嚴重、嚴重。

其中露筋與剝落情況嚴重的有8#、9#、10#、11#、13#、14#、15#、18#、38#；露筋與剝落情況較為嚴重的有：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，排架混凝土構件的抗壓強度推定值為16 MPa，排架豎梁不同側面保護層厚度不一，大多數(shù)部位不滿足現(xiàn)行相關規(guī)范規(guī)定的最小保護層厚度規(guī)定，且排架梁表層混凝土碳化深度整體均較大（26 mm～35 mm），均超過保護層厚度。

排架混凝土外部剝落或翹起部位鋼筋銹蝕嚴重，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 渡槽排架受力結構分析

為和現(xiàn)場荷載試驗結果對比，這里采用2 m水深的情況，采用三維結構有限元分析軟件（DLUBAL RFEM 3D）對9#渡槽進行分析[6～7]。9#渡槽相應的模型如圖3所示。為進行結果對比，荷載和結構模型按照原檢測報告取用。

圖3 渡槽9#槽段三維有限元模型

根據(jù)檢測結果：排架立柱內(nèi)側碳化深度（21～ 27）mm，外側碳化深度（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件的強度推定值為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件的抗壓強度推定值為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算結果如圖4～圖7所示。

經(jīng)計算，排架結構立柱和橫梁的軸力和彎矩結果如表1所示，與檢測結果相比，二者表現(xiàn)基本一致。在設計荷載作用下，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到41 mm和45 mm。

因此，排架結構復核存在以下問題：①原設計排架柱截面尺寸偏?。涸谠O計荷載組合（自重+風荷）和校核荷載組合（自重+設計輸水+風荷）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力均超過了排架現(xiàn)狀檢測混凝土強度推薦等級相應的強度設計值和原設計混凝土強度等級的強度設計值，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保護層厚度及最小配筋率不滿足要求：原設計排架柱等結構主筋的混凝土保護層厚度為25 mm、最小配筋率為0.24%，均小于現(xiàn)行《水工砼結構設計規(guī)范》相關強制性條文的規(guī)定。③混凝土強度不滿足要求：原設計排架混凝土強度等級為C20，不滿足現(xiàn)行《水工混凝土結構設計規(guī)范》關于設計使用年限為50年的水工結構，配筋混凝土耐久性的要求。④原設計單排架柱與橫梁均為直角正交，之間未設貼角，梁柱結構點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 有限元結果與檢測內(nèi)力對比

2 排架加固設計方案

2.1 設計方案

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

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

當采用外包鋼加固并采用L125×8的角鋼時，在最不利荷載組合工況下，鋼筋和角鋼的最大應力為62.1 MPa，混凝土立柱最大壓應力為6.7 MPa。低于混凝土的設計許用應力（9.6 MPa），所以采用外包鋼的結構加固能夠滿足強度要求。在垂直水流方向和順水流方向縱向風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構：單純的采用C40灌漿材料加固整個排架，加固厚度為100 mm，以增加排架結構斷面。

當對排架結構立柱和橫梁均采用加大截面加固，混凝土的最大壓應力可降低至5.3 MPa，小于混凝土的設計強度（9.6 MPa），鋼筋最大應力為：126.0 MPa?？梢?，采用加大截面加固后，混凝土強度和鋼筋強度均能滿足設計要求。對排架進行加大截面加固后，在橫向風和縱向風荷載作用下排架頂部位移分別為：17 mm和28 mm，可見，當只對立柱進行加大截面加固時，對排架結構的剛度提高明顯。

方案三：外包鋼+桁架結構加固：原排架結構為框架抗彎體系，在現(xiàn)有基礎上，改變結構體系，將原來框架體系改為桁架體系，并對立柱進行包鋼加固時，對結構強度和剛度均貢獻較大。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。

當采用改變結構體系+外包鋼加固時，混凝土的最大壓應力可降低至5.4 MPa，小于混凝土的設計強度（9.6 MPa），原鋼筋及鋼結構最大應力為67 MPa，小于鋼材的設計強度（215 MPa）。當改變結構體系時，對結構的橫向變形也有貢獻，此時結構頂部位移為10.5 mm。在縱向風荷載作用下，排架頂部最大位移為：39.7 mm，加固后混凝土最大壓應力為6.3 MPa，小于混凝土設計強度（9.6 MPa），鋼筋及鋼結構最大應力為67 MPa，小于鋼材設計強度（215 MPa）。

通過對加固后結構的振動特性分析：結構第一階振型仍然和原結構基本相同，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，自振周期小于原結構自振周期（1.18 s和1.17 s），說明加固后比原結構剛度有所提高。這在位移的計算結果中亦有所體現(xiàn)。所以，采用外包鋼+桁架結構時，有效改變了原結構的受力狀態(tài)，提高了結構的整體剛度。

方案四：外包鋼+預應力桁架加固：在方案三的基礎上，并對加固的桁架腹桿施加預應力（10 kN），同時采用改變排架結構體系為桁架結構、外包鋼加固及施加預應力，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，恢復原狀，見圖8～圖10。

圖8 采用方案四加固后排架混凝土結構應力圖

施加預應力后，在最不利荷載作用下，混凝土最大壓應力為：6.3 MPa。最大鋼筋及鋼結構應力為65.2 MPa，均小于許用應力。在垂直水流方向風荷載作用下，排架結構頂部位移為9.7 mm，在順水流方向縱向風荷載作用下，排架結構頂部位移為：39.4 mm。

2.2 方案比選

對排架以上4個方案進行經(jīng)濟技術比較，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力，滿足結構設計要求；②對橫梁和立柱同時進行加大截面加固時，對減小垂直水流方向的排架位移貢獻明顯；③采用外包鋼+預應力桁架法加固時，垂直水流方向的剛度提高幅度最大；④單純對立柱進行加大截面加固時，順水流方向的剛度提高幅度最大；⑤在改變結構體系的方案中，對腹桿施加預應力對混凝土結構承載能力影響不大。

結果見表2。通過技術經(jīng)濟比較，本次推薦方案四作為排架加固改造方案，加固設計示意圖見圖11。

圖9 采用方案四加固后排架鋼筋及鋼結構應力圖

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，角鋼與混凝土柱構件間滿注結構膠，角柱增加縱向中條板兩道?；炷林坎捎迷龃蠹庸谭?，錨植鋼筋，澆筑新混凝土，擴大承臺，提高構件的抗彎、抗剪承載力，并增加了構件的剛度[8～9]。

表2 排架加固改造方案技術經(jīng)濟特性比較表

圖1 1渡槽排架加固設計示意圖

濕式外包鋼加固法施工時加固結合面和鋼板貼合面處理是加固施工的關鍵過程。

3.1 濕式外包鋼構件表面處理

（1）鑿去結合面風化酥松、碳化銹裂層以及油污層，直至完全露出堅實的基層。

（2）將結合面打磨平整，四角，磨出小圓角，用鋼絲刷刷毛，用壓縮空氣吹凈。

（3）角鋼、扁鋼及箍板的結合面應除銹、打磨并用丙酮或二甲苯擦凈。

3.2 環(huán)氧樹脂化學灌漿濕法外包鋼工藝

（1）在混凝土的結合面刷一薄層環(huán)氧樹脂漿。

（2）用卡具將角鋼及扁鋼箍卡貼于構件預定結合面，經(jīng)校準后彼此焊接，扁鋼箍應緊貼混凝土表面，并與角鋼平焊連接，否則應用環(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）以相應的壓力將環(huán)氧樹脂漿從灌漿嘴壓入，當排氣孔出現(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）灌漿后不應再對型鋼骨架進行捶擊、移動和焊接。

3.3 外包鋼加固的防護

外包鋼加固混凝土構件時，型鋼表面必須進行防護處理?？梢栽谕獍摰谋砻纥c焊一層鋼絲，然后用1∶3水泥砂漿抹25 mm厚的保護層，亦可采用聚合物砂漿或其他飾面材料加以保護。

4 結語

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

通過對渡槽排架的現(xiàn)場檢測和模擬分析計算，探明了排架存在的問題，針對這些問題，比選了4種排架加固方案，以排架混凝土結構應力、鋼筋及鋼結構應力、排架頂部位移等參數(shù)為依據(jù)，選擇方案四：外包鋼+預應力桁架法作為石洞江渡槽排架加固設計方案。

采用外包鋼+預應力桁架法加固，經(jīng)分析計算，在最不利荷載作用下，排架混凝土最大壓應力為：6.3 MPa；最大鋼筋及鋼結構應力為65.2 MPa，均小于許用應力。在垂直水流方向風荷載作用下，排架結構頂部位移為9.7 mm，在順水流方向縱向風荷載作用下，排架結構頂部位移為：39.4 mm，設計上基本達到了預期的效果。

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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計與大壩安全管理研究工作，手機：15111060608。