閘首空箱頂板裂縫成因分析與加固方案探討

陳燦明，郭 壯，何建新，宮 珂，蘇曉棟

(1.南京水利科學(xué)研究院 水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

安徽某船閘按五級(jí)航道設(shè)計(jì)，過閘船型300 t級(jí)，是連接淮河與皖西北地區(qū)的水上交通要道，為當(dāng)?shù)夭牧虾臀镔Y運(yùn)輸、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民物質(zhì)生活水平的提高發(fā)揮了重要作用。

公路橋位于下閘首下游側(cè)，共有三跨，中跨以下閘首內(nèi)側(cè)邊墻為基礎(chǔ)，左跨和右跨一端支承在下閘首空箱外側(cè)邊墻上，另一端設(shè)橋臺(tái)。下閘首空箱內(nèi)墻和外墻之間澆筑鋼筋混凝土板，兼作公路橋兩跨之間路面和管理房的屋面(以下簡稱空箱頂板)?？障漤敯鍨楝F(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)200#(相當(dāng)于強(qiáng)度等級(jí)C18)，長8.8 m，寬4.5 m，厚0.25 m，上部有0.08 m～0.13 m磨耗層，閘首豎向墻體厚0.45 m～0.90 m，公路橋平面布置見圖1，空箱頂板結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 公路橋平面布置示意圖(單位：m)

圖2空箱頂板斷面示意圖(單位：cm)

船閘運(yùn)行26年后進(jìn)行了全面的安全鑒定，發(fā)現(xiàn)兼作公路橋的空箱頂板出現(xiàn)大面積開裂，存在嚴(yán)重安全隱患。為此進(jìn)行裂縫檢測(cè)和承載力復(fù)核計(jì)算，分析空箱頂板裂縫產(chǎn)生原因，并提出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的除險(xiǎn)加固方案。

1 空箱頂板現(xiàn)狀檢測(cè)與分析

空箱頂板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于下閘首口門左右二側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要結(jié)果如下。

下閘首左、右二側(cè)空箱頂板在車輛荷載作用下均出現(xiàn)大面積、嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性裂縫，左、右二側(cè)空箱頂板裂縫性狀相似，均為網(wǎng)狀裂縫。裂縫寬度0.20 mm～0.40 mm、長度0.30 m～3.00 m，最大裂縫寬度遠(yuǎn)大于行業(yè)規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度限值[1]?？障漤敯宓酌嬷饕芽p分布見圖3，裂縫狀況見圖4。

從裂縫位置、裂縫分布和裂縫開展寬度等特點(diǎn)綜合分析[2-4]，空箱頂板已超過其承載極限出現(xiàn)了破壞，裂縫對(duì)空箱頂板的安全性和耐久性均有很大不利影響。

空箱頂板底面局部有鋼筋銹蝕外露，外露長度約0.08 m～0.15 m(見圖5)。

圖3 空箱頂板主要裂縫分布示意圖

圖4 空箱頂板裂縫狀況

圖5空箱頂板底面鋼筋局部銹蝕外露

2 裂縫成因分析

2.1 承載力復(fù)核

空箱頂板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C18，長8.8 m，寬4.5 m，厚0.25 m，板底橋?qū)挿较蚺洇? mm鋼筋、間距333 mm，板底橋長方向配Φ19 mm鋼筋、間距150 mm。上部有0.08 m～0.13 m磨耗層，閘首豎向墻體厚0.45 m～0.90 m。

取單寬進(jìn)行現(xiàn)澆板跨中正截面抗彎強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于矩形截面有：

(1)

α1fcbx=fyAs

(2)

計(jì)算時(shí)主要參數(shù)取值為：計(jì)算系數(shù)α1取1.0，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc取8.6 MPa、鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy取270 MPa，矩形截面寬度b取1 000 mm，混凝土截面有效高度h0取225 mm(橋長方向)和212 mm(橋?qū)挿较?，受拉鋼筋截面面積As為1 890 mm2(橋長方向)和152 mm2(橋?qū)挿较?，受壓區(qū)高度x計(jì)算值為59.3 mm(橋長方向)和為4.8 mm(橋?qū)挿较?。

計(jì)算復(fù)核的空箱頂板橋長方向正截面抗彎強(qiáng)度為67.84 kN·m/m，橋?qū)挿较蛘孛婵箯潖?qiáng)度為10.90 kN·m/m。

分別按原設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空箱頂板進(jìn)行承載能力復(fù)核，主要參數(shù)取值如下：

恒定荷載為空箱頂板和磨耗層自重，標(biāo)準(zhǔn)值8.00 kN/m。

可變荷載為：原設(shè)計(jì)荷載汽車-20級(jí)，驗(yàn)算荷載掛車-100；現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-Ⅱ級(jí)[5]，車道均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值7.875 kN/m與車道集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值164.34 kN或單獨(dú)車輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為550 kN的汽車荷載(后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值2×140 kN)。

荷載分項(xiàng)系數(shù)為：1.20(永久荷載γG)、1.40(可變荷載γQ)、0.30(動(dòng)荷載沖擊系數(shù))。

由于空箱頂板長邊與短邊之比小于2，應(yīng)按雙向板計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范按四邊簡支板計(jì)算長、短邊方向跨中彎矩，考慮現(xiàn)澆板與豎向鋼筋混凝土墻體的整體連接對(duì)板的變形約束作用，跨中彎矩應(yīng)取四邊簡支板計(jì)算值的0.525倍?？障漤敯逶诤愣ê奢d和可變荷載最不利組合作用下的承載力復(fù)核結(jié)果見表1。

表1空箱頂板承載力復(fù)核結(jié)果

單位：kN·m/m

承載力復(fù)核結(jié)果表明,空箱頂板橋長方向正截面抗彎強(qiáng)度值大于原設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力值24.55 kN·m/m和驗(yàn)算荷載內(nèi)力值35.62 kN·m/m，也大于現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力值27.84 kN·m/m，空箱頂板橋長方向正截面強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求。

空箱頂板橋?qū)挿较蛘孛婵箯潖?qiáng)度值小于原設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力值21.36 kN·m/m和驗(yàn)算荷載內(nèi)力值33.11 kN·m/m，也小于現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力值24.28 kN·m/m，空箱頂板橋?qū)挿较蛘孛鎻?qiáng)度不滿足原設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求。

空箱頂板跨度與厚度之比較大，受彎破壞先于剪切破壞，可不進(jìn)行斜截面抗剪強(qiáng)度復(fù)核。

2.2 裂縫成因分析

(1) 設(shè)計(jì)不合理?？障漤敯彘L8.8 m，寬4.5 m，厚0.25 m，豎向墻體厚0.45 m～0.90 m，空箱頂板中部平行橋長度方向厚0.45 m的鋼筋混凝土墻將空箱分為兩個(gè)部分。空箱頂板橋長方向凈跨為3.60 m，橋?qū)挿较騼艨?.625 m和3.825 m，長短邊之比為1.01～1.06，小于2.0，空箱頂板為雙向受力板。

空箱頂板橋長方向配置了Φ19 mm鋼筋、間距150 mm；橋?qū)挿较騼H按構(gòu)造要求配置了Φ8 mm鋼筋、間距333 mm。

根據(jù)規(guī)范[6]，四邊支承板當(dāng)長邊與短邊長度之比大于或等于2時(shí)，可按短邊計(jì)算跨徑的單向板計(jì)算；若該比值小于2時(shí)，則應(yīng)按雙向板計(jì)算。

實(shí)際上，原設(shè)計(jì)僅在橋長方向配置了受力鋼筋，橋?qū)挿较蛑皇前礃?gòu)造要求配筋。據(jù)此分析原設(shè)計(jì)時(shí)忽略了空箱中部厚0.45 m的鋼筋混凝土隔墻的作用，將處于雙向受力狀態(tài)的空箱頂板簡化成單向板進(jìn)行了計(jì)算，橋?qū)挿较騼H按構(gòu)造配筋造成正截面強(qiáng)度不足，難以滿足原設(shè)計(jì)荷載和現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)的通行要求。

因此原設(shè)計(jì)將處于雙向受力狀態(tài)的空箱頂板簡化成單向板進(jìn)行計(jì)算，造成橋?qū)挿较蚺浣钌?，承載力不足是裂縫產(chǎn)生與發(fā)展的主要原因。

(2) 路面超載。船閘公路橋位于省道上，車輛密集且重型車輛多，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，也不同程度加劇了空箱頂板裂縫的開展。

3 加固方案設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固一般根據(jù)結(jié)構(gòu)和承受荷載特點(diǎn)，選擇技術(shù)可靠、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、能確保質(zhì)量的加固方法。目前國內(nèi)外多采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘碳纖維復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法(增設(shè)支點(diǎn)加固法)和繞絲加固法等[7]。根據(jù)空箱頂板的結(jié)構(gòu)和車輛荷載特點(diǎn)，選擇粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法、粘貼鋼板加固法和改變結(jié)構(gòu)體系加固法三種加固方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選。

各加固方法實(shí)施時(shí)，均包括寬度大于等于0.20 mm裂縫的灌漿、寬度小于0.20 mm裂縫的封閉、銹蝕鋼筋的除銹補(bǔ)強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)表面酥松和缺陷的處理。

3.1 粘貼碳纖維加固方案

在對(duì)空箱頂板底面進(jìn)行處理后，全斷面粘貼一層碳纖維布進(jìn)行加固，碳纖維布為高強(qiáng)度Ⅱ級(jí)，厚度0.111 mm(200 g/m2)，碳纖維的受力方向?yàn)闃驅(qū)挿较?，粘貼碳纖維使用A級(jí)膠[8-10]。粘貼碳纖維后，在表面點(diǎn)粘一層豆石進(jìn)行拉毛處理或刷一層面膠，然后粉刷15 mm厚聚合物高強(qiáng)度砂漿進(jìn)行防老化處理[11]。

粘貼碳纖維加固后空箱頂板正截面承載力按下式確定：

(3)

α1fc0bx=fy0As0+ψfffAfc

(4)

(5)

(6)

計(jì)算時(shí)主要參數(shù)取值為：原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc0取8.6 MPa，原截面受拉鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy0取270 MPa，原截面受拉鋼筋截面面積As0取152 mm2，纖維復(fù)合材強(qiáng)度利用系數(shù)ψf取1.0，纖維復(fù)合材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ff取2 000 MPa，纖維復(fù)合材的有效截面面積Afc取111 mm2，混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與u取0.0033；考慮二次受力影響時(shí)纖維復(fù)合材滯后應(yīng)變?chǔ)舊0取0.0018，纖維復(fù)合材拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值εf取0.01，綜合考慮受彎構(gòu)件裂縫截面內(nèi)力臂變化、鋼筋拉應(yīng)變不均勻以及鋼筋排列影響的計(jì)算系數(shù)αf取0.70。加固前受彎構(gòu)件驗(yàn)算截面上作用的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值M0k為17.80 kN·m，鋼筋彈性模量Es取200 GPa。

經(jīng)復(fù)核，空箱頂板粘貼碳纖維加固后橋?qū)挿较蛘孛娉休d力為60.53 kN·m/m，大于寬度方向空箱頂板內(nèi)力值24.28 kN·m/m。

3.2 粘貼鋼板加固方案

對(duì)空箱頂板底面裂縫、銹蝕鋼筋和表面缺陷進(jìn)行處理后，全斷面粘貼一層厚2 mm的Q235鋼板，粘貼鋼板使用A級(jí)膠[12-13]。

粘貼鋼板后空箱頂板正截面承載力計(jì)算與粘貼碳纖維加固的計(jì)算方法相同，僅將碳纖維的性能參數(shù)改換為鋼板參數(shù)，鋼板主要性能參數(shù)為：加固鋼板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsp=205 MPa，彈性模量Esp=200 GPa。

經(jīng)復(fù)核，空箱頂板粘貼鋼板加固后橋?qū)挿较蛘孛娉休d力為99.79 kN·m/m，大于橋?qū)挾确较蚩障漤敯鍍?nèi)力值24.28 kN·m/m。

3.3 改變結(jié)構(gòu)體系加固方案

通過增設(shè)支點(diǎn)來改變結(jié)構(gòu)體系以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，適用于梁、板等結(jié)構(gòu)的加固[14-15]。支撐梁柱混凝土澆筑前上部應(yīng)盡量減載、下部需設(shè)置必要支撐(施加適當(dāng)預(yù)加力)，直至橫梁和牛腿混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

由于空箱頂板橋?qū)挾确较騼H按構(gòu)造配置Φ8 mm鋼筋、間距333 mm，為解決其承載能力不足，在橋長方向增設(shè)兩道平行橋?qū)挿较蚪孛鏋?.25 m×0.50 m的橫梁，橫梁擱置在空箱鋼筋混凝土側(cè)墻和中隔墻上，擱置長度200 mm，同時(shí)根據(jù)墻厚條件在擱置處增設(shè)牛腿，牛腿通過種植錨筋與空箱鋼筋混凝土墻聯(lián)接一體，加固方案見圖6和圖7。

圖6 加固橫梁與牛腿立面圖(單位：cm)

圖7加固橫梁與牛腿斷面圖(A-A)(單位：cm)

通過在橋長度方向增設(shè)平行橋?qū)挿较驒M梁，空箱頂板在橋長方向凈跨大幅度降低，加固后空箱頂板長短邊之比大于2，空箱頂板可按單向板計(jì)算，此時(shí)橋?qū)挿较虬礃?gòu)造配筋即可滿足現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)公路-II級(jí)的承載要求，并且長度方向的內(nèi)力也因跨度減小而大幅度下降。

根據(jù)計(jì)算，橫梁在恒定荷載和可變荷載(車輛荷載)組合作用下橫梁跨中最大彎矩為188.81 kN·m，最大剪力為161.48 kN。加固橫梁選用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，保護(hù)層厚度30 mm，受力鋼筋采用HRB335鋼筋，橫梁下部配5φ22、上部配4φ20、箍筋配Φ8@150鋼筋。

3.4 方案比選

粘貼碳纖維加固、粘貼鋼板加固和改變結(jié)構(gòu)體系加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析比較結(jié)果見表2。

表2 加固方案優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)照表

根據(jù)各加固方案優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)比，粘貼碳纖維加固、粘貼鋼板加固和改變結(jié)構(gòu)體系加固方案均能滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)公路-II級(jí)的通行要求。由于粘貼碳纖維加固方案具有基本不增加自重荷載，而且加固周期短，不占用空間，對(duì)工程的運(yùn)行影響小等突出優(yōu)點(diǎn)，因此推薦在空箱頂板底面全斷面粘貼碳纖維(加固方向?yàn)闃驅(qū)挾确较?的加固方案。

4 結(jié) 語

通過對(duì)安徽某船閘兼作公路橋的閘首空箱頂板裂縫狀況檢測(cè)和承載力復(fù)核，分析了現(xiàn)澆板裂縫產(chǎn)生的原因。根據(jù)粘貼碳纖維加固、粘貼鋼板加固和改變結(jié)構(gòu)體系加固方案的比選，提出了推薦加固方案。

(1) 空箱頂板底面出現(xiàn)大量寬0.20 mm～0.40 mm、長0.30 m～3.00 m的網(wǎng)狀裂縫，從現(xiàn)澆板裂縫狀況分析，空箱頂板已超過其承載極限，目前其承載力已大幅下降。

(2) 根據(jù)空箱頂板結(jié)構(gòu)和配筋、承載力復(fù)核結(jié)果，結(jié)合裂縫形態(tài)等狀況分析，設(shè)計(jì)時(shí)忽略隔墻作用，將處于雙向受力狀態(tài)的空箱頂板簡化為單向板計(jì)算，橋?qū)挿较騼H按構(gòu)造配筋導(dǎo)致承載力不足是空箱頂板裂縫產(chǎn)生的主要原因，車輛超載加劇了裂縫的開展。

(3) 粘貼碳纖維加固、粘貼鋼板加固和改變結(jié)構(gòu)體系加固等方案均能滿足現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)公路-II級(jí)的通行要求，通過比選推薦采用粘貼碳纖維加固方案。

(4) 鑒于空箱頂板已超過其承載極限出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，建議加固改造前應(yīng)采取嚴(yán)格的限載措施。