粘貼鋼板加固高樁碼頭軌道梁的時效性分析

楊紅娜，劉思國，時閩生

（1.天津市交通運輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，天津300384；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

0 引言

粘貼鋼板加固法是在鋼筋混凝土構(gòu)件表面用建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板提高構(gòu)件承載力的一種加固方法[1]。這種方法施工快速簡便，對原結(jié)構(gòu)的自重、截面尺寸和使用凈空改變小，因此在在役混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程中得到推廣應用。但這種方法有明確的適用范圍[2]，如：適用于鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構(gòu)件的加固，不適用于素混凝土構(gòu)件及縱向受力鋼筋一側(cè)配筋率小于0.2%的構(gòu)件加固；該方法長期使用環(huán)境不應高于60益，當用于高溫、高濕、介質(zhì)侵蝕、放射等特殊環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)加固時，除采取標準規(guī)范規(guī)定的防護措施外，還應采用耐環(huán)境因素作用的膠粘劑，并按專門工藝要求粘貼。

長期以來，在高樁碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固改造中使用粘貼鋼板加固法存在一定爭議。盡管現(xiàn)行JTS 311—2011《港口水工建筑物修補加固技術(shù)規(guī)范》[3]指出該方法可用于平均潮位以上鋼筋混凝土受彎、受拉構(gòu)件的加固，并規(guī)定鋼板與混凝土之間的有效粘貼面積不應小于總粘貼面積的95%，但該方法在惡劣海洋環(huán)境下的時效性仍不清晰。為此本文跟蹤沿海某采用粘貼鋼板加固的高樁碼頭，統(tǒng)計加固后鋼板與混凝土間空鼓率變化，分析該方法的有效時間范圍。

1 工程簡介

我國沿海某高樁碼頭建于1997年，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受水域的水質(zhì)環(huán)境氯離子侵蝕影響較大。2007年發(fā)現(xiàn)梁類構(gòu)件鋼筋銹蝕，導致保護層出現(xiàn)順筋裂縫和局部脫落；2008年對橫梁、縱向梁系進行修補，2011年經(jīng)專業(yè)機構(gòu)檢測發(fā)現(xiàn)縱梁系（包括軌道梁、縱梁、邊梁）損壞較嚴重，存在不同程度的縱向順筋裂縫。2013年對碼頭進行第2次加固補強，對全部40根軌道梁采用粘貼鋼板加固，方案如圖1所示。

圖1 軌道梁粘貼鋼板加固示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of bonding steel plate to strengthen track beam(mm)

圖1中：

1）M1為5 mm厚鋼板，牌號Q345，在軌道梁底通長粘貼，寬度同梁寬。

2）M2、M3為10 mm厚U形鋼板，牌號Q345，粘于軌道梁側(cè)面和底部（部分包裹M1），M2寬500 mm，M3寬300 mm。

3）M4為10 mm厚鋼壓板，牌號Q345；M5為錨栓。

當前階段，從我國綠色金融上市公司在金融行業(yè)上市公司的比例來看，顯得較少。從中可以看出，在整體上看更重視經(jīng)濟的發(fā)展需求，對環(huán)境方面相對略有疏忽。為推動我國綠色金融的穩(wěn)步發(fā)展，緩解我國環(huán)境問題中碳排放過高方面的壓力，綠色金融起著重要的積極作用，綠色金融對碳金融業(yè)務進行積極擴展，為我國降低碳排放和環(huán)境保護提供了新的方法和基礎。由于我國碳交易市場處于初步發(fā)展階段，碳金融市場剛開始起步，需要在碳配額抵押貸款、碳債券等方面投入更多的關(guān)注和重視，促進創(chuàng)新型業(yè)務能夠進入高速發(fā)展階段。

4）粘貼鋼板所用的膠粘劑符合《港口水工建筑物修補加固技術(shù)規(guī)范》[3]第5.2.6.5條規(guī)定。

施工時，對軌道梁的結(jié)合面鑿毛、清除干凈后打磨，直至完全露出新面，并吹除粉粒。對鋼板的粘結(jié)面除銹和粗糙處理，除銹等級達到St3.0，粗糙度等級達到60~100滋m，并用脫脂棉沾丙酮擦拭干凈。膠粘劑同時涂抹在已處理好的混凝土表面和鋼板面上，厚度為1~3 mm，且中間厚邊緣薄，側(cè)面粘貼時加1層脫蠟玻璃絲布。鋼板粘貼好后立即固定并加壓至膠液剛從鋼板邊縫擠出。采用E-28海工鋼結(jié)構(gòu)防腐專用漆對軌道梁所粘鋼板進行防腐處理，漆膜干膜總厚度不小于600滋m，涂刷防腐專用漆前對鋼板拋丸砂除銹，除銹質(zhì)量等級達Sa2.5級要求。驗收時，采用錘擊法[3]檢查鋼板與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量，結(jié)果表明鋼板的有效粘貼面積不小于總粘貼面積的95%，滿足規(guī)范要求。

2 第1次空鼓率檢測結(jié)果

1 a后（2014年）對碼頭進行加固補強后的檢測，發(fā)現(xiàn)部分軌道梁加固鋼板存在不同程度的銹跡或者銹斑。2016年7月對發(fā)生銹蝕的軌道梁加固鋼板進行除銹處理。2016年8月采用錘擊法檢測40根軌道梁的空鼓率，具體檢測方法為：

1）采用質(zhì)量約為0.5 kg的小錘敲擊M1、M2和M3鋼板，利用錘擊鋼板時發(fā)出的聲音和小錘彈回的程度判斷空鼓情況。

2）當錘擊時發(fā)出的聲音清脆、單純，且小錘能彈回，則認為鋼板與混凝土之間有效粘貼。

3）當錘擊時發(fā)出悶聲、濁聲或碎聲，且小錘的彈跳性差，則認為鋼板與混凝土之間空鼓。

4）小錘敲擊點均勻布置，控制相鄰敲擊點間距不超過5 cm，每敲擊點至少敲擊3次，先輕擊，然后根據(jù)聲音和小錘的彈跳性適量加大敲擊力度。

5）當判斷錘擊點鋼板與混凝土脫空后，以該點為中心向四周加密敲擊，控制相鄰敲擊點間距不超過2 cm，檢測并記錄空鼓面積。

6）按式（1）計算空鼓率ρ1：

式中：ρ1為空鼓率；移Ak，M1、移Ak，M2、移Ak，M3分別為每根軌道梁M1、M2和M3鋼板的空鼓面積，mm2；移AM1、移AM2、移AM3分別為每根軌道梁M1、M2和M3鋼板的總面積，mm2。

將第1次空鼓率檢測結(jié)果繪制成柱狀圖（見圖2），結(jié)果表明：

1）鋼板與混凝土之間的空鼓率最大值為3.8%，最小值為0.3%，有效粘貼面積不小于總粘貼面積的95%。

2）空鼓均發(fā)生在軌道梁側(cè)面與U形鋼板（M2、M3）之間，軌道梁底面與M1的粘貼面之間未檢測到空鼓。

3）軌道梁向海側(cè)和向陸側(cè)均存在空鼓，分布具有隨機性。

圖2 第1次軌道梁空鼓率檢測結(jié)果柱狀圖Fig.2 Histogram of the first test results of the hollowing rate of track beam

3 第2次空鼓率檢測結(jié)果

2018年10月再次檢測軌道梁外觀（如圖3所示），并抽取前20根軌道梁檢測空鼓率，發(fā)現(xiàn)空鼓仍發(fā)生在軌道梁側(cè)面與U形鋼板（M2、M3）之間，軌道梁底面與M1的粘貼面之間仍未檢測到空鼓，表明粘貼鋼板法對加固軌道梁側(cè)面的適用性較差。

圖3 軌道梁粘貼鋼板銹蝕狀況Fig.3 Corrosion condition of the steel plate attached to the track beam

為便于分析梁向海側(cè)和向陸側(cè)空鼓率的差別，按式（2）計算向海側(cè)空鼓率ρ21，按式（3）計算向陸側(cè)空鼓率ρ22：

式中：ρ21和ρ22分別為向海側(cè)和向陸側(cè)空鼓率；ρ2為平均空鼓率；移Ak，M21、移Ak，M31分別為1根軌道梁M2、M3鋼板向海側(cè)的空鼓面積；移Ak，M22+移Ak，M32分別為1根軌道梁M2、M3鋼板向陸側(cè)的空鼓面積，mm2；移AM21、移AM31分別為1根軌道梁M2、M3鋼板向海側(cè)的總面積；移AM22、移AM32分別為1根軌道梁M2、M3鋼板向陸側(cè)的總面積，mm2。忽略鋼板加固誤差，取移AM21=移AM22，移AM31=移AM32。

第2次空鼓率的檢測結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：

1）軌道梁向海側(cè)與鋼板之間的空鼓率最大值和最小值分別為29.0%、9.0%，向陸側(cè)與鋼板之間的空鼓率最大值和最小值分別為43.0%、9.0%，各梁平均空鼓率的最大值和最小值分別為33.0%、11.0%，已不滿足規(guī)范要求。

2）計算向陸側(cè)空鼓率與向海側(cè)空鼓率之比，最大值為1.90，最小值為0.59，其中10根梁比值大于1，3根梁比值等于1，7根梁比值小于1，表現(xiàn)出軌道梁向陸側(cè)空鼓率增長較向海側(cè)快的趨勢。

圖4 第2次軌道梁空鼓率檢測結(jié)果柱狀圖Fig.4 Histogram of the second test results of the hollowing rate of track beam

4 結(jié)果分析與建議

4.1 結(jié)果分析

比較G1—G20軌道梁第1次和第2次空鼓率檢測結(jié)果可知：從2016年8月—2018年10月，G1—G20軌道梁空鼓率顯著增加，最大增加值為32.4%，最小增加值為7.3%。按式（5）計算第1次和第2次檢測期間空鼓率年增加速率，結(jié)果表明空鼓率年增加速率最大值為15.0%，最小值為3.4%，平均值為8.5%。

式中：v為空鼓率年增加速率，%；T為2次檢測的時間間隔，a，取T=2.17 a。

按時間順序分析軌道梁粘貼鋼板后的空鼓率及外觀變化（見表1）可知：

1）在海洋鹽霧環(huán)境下，所粘貼鋼板使用1 a即出現(xiàn)不同程度的銹跡或者銹斑，使用超過2 a即出現(xiàn)明顯銹跡，因此應每年對軌道梁加固鋼板進行除銹處理。

2）軌道梁粘貼鋼板使用的前3 a時間，空鼓率無明顯變化，且滿足有效粘貼面積不小于總粘貼面積的95%要求，但再使用約2 a時間后空鼓率大幅增加，20根軌道梁的空鼓率年增加速率平均值達8.5%，不能滿足規(guī)范要求。因此，粘貼鋼板與軌道梁共同工作的有效時間宜為3 a，期間應每年對空鼓率進行抽檢，3 a后應每年對空鼓率進行全面檢測。

表1 軌道梁粘貼鋼板后的空鼓率及外觀變化Table 1 The hollowing rate and appearance change of the track beam after bonding steel plate

4.2 建議

上述分析表明，采用普通Q345牌號鋼板和螺栓加固海港高樁碼頭軌道梁，即使設計、施工與防腐蝕措施滿足規(guī)范要求也不能獲得較長的時效性。我國高樁碼頭具有破損率高、梁板柱構(gòu)件破損嚴重的特點[4-9]，為減少維修加固頻率，在選擇加固改造材料和方法時尤其應注重時效性，選取適用于干濕交替鹽霧環(huán)境的材料、方法和防腐措施。

在破損修補材料的選擇上，應根據(jù)構(gòu)件所處環(huán)境和破損程度選擇物理力學性能和耐久性好的粘結(jié)材料，避免“環(huán)氧樹脂唱獨角戲”的情況。天津大學研制的灌漿補強材料“氰凝”適合在潮濕環(huán)境中反應、固結(jié)，在天津港多個高樁碼頭的破損修復工程中應用均取得了很好的效果[4]。南京水利科學研究院針對寧波北侖港2.5萬噸級碼頭橫梁、軌道梁、縱梁、斜撐等的鋼筋腐蝕破壞，推薦采用丙乳砂漿局部修補[5]。

采用外貼碳纖維布或碳纖維板加固軌道梁、橫梁等主要受力構(gòu)件已成為一種趨勢。湛江港一區(qū)突堤碼頭部分軌道梁和橫梁采用粘貼2層碳纖維布加固方法[6]，本文跟蹤的高樁碼頭在新的加固方案中推薦采用在軌道梁側(cè)面粘貼高強度碳纖維板的方式重新加固。但外貼碳纖維加固法同樣面臨惡劣環(huán)境下的耐久性考驗，因此要求膠粘劑必須具有濕固化性能[7]，并且為避免產(chǎn)生空鼓現(xiàn)象，施工時應在盡可能短的時間內(nèi)完成涂刷、敷設、粘貼固定等操作[6-7]。

2001—2006年歐、美等發(fā)達國家先后發(fā)布了不銹鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，2015年我國頒布了CECS 410：2015《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，可見不銹鋼在工程結(jié)構(gòu)中的應用將越來越廣泛。已有研究者進行了粘貼不銹鋼板加固鋼筋混凝土梁彎曲性能試驗研究[9]。下一步可對外貼不銹鋼加固法在干濕交替鹽霧環(huán)境中的時效性開展試驗研究。

針對氯離子侵蝕，應采用比涂刷防腐漆更有效的防腐蝕技術(shù)。2007年寧波北侖港2.5萬噸級碼頭對預應力方樁鋼筋采用犧牲陽極陰極保護防腐蝕措施，2013年檢測發(fā)現(xiàn)方樁外觀總體完好，未見明顯局部損壞現(xiàn)象[10]。對維修加固后或新建的高樁碼頭，則可采用氰凝為涂料層，敷以玻璃纖維布為飾面作涂布處理，阻斷氯離子滲透通道[4]。

5 結(jié)語

1）粘貼鋼板加固的軌道梁在使用的前3 a時間內(nèi)，空鼓率無明顯變化，且滿足有效粘貼面積不小于總粘貼面積的95%要求，但再使用約2 a時間后空鼓率大幅增加，空鼓率的年增加速率平均值達8.5%，超出規(guī)范限值要求。因此，粘貼鋼板與軌道梁共同工作的有效時間宜為3 a。

2）在海洋鹽霧環(huán)境下，粘貼鋼板使用1 a即出現(xiàn)不同程度的銹跡或者銹斑，使用超過2 a即出現(xiàn)明顯銹跡。因此應每年對軌道梁加固鋼板進行除銹處理。

3）空鼓發(fā)生在軌道梁側(cè)面與U形鋼板（M2、M3）之間，軌道梁底面與M1的粘貼面之間仍未檢測到空鼓，表明粘貼鋼板法對加固軌道梁側(cè)面的適用性較差。

4）粘貼鋼板加固的軌道梁在使用的前3 a時間內(nèi)，軌道梁向海側(cè)和向陸側(cè)均存在空鼓，但分布具有隨機性，再使用約2 a時間后表現(xiàn)出向陸側(cè)空鼓率的增長較向海側(cè)快的趨勢。

5）為減少高樁碼頭維修加固頻率，應選擇時效性高的維修加固材料、方法和防腐措施。下一步將對外貼碳纖維布/板加固法和外貼不銹鋼加固法在干濕交替鹽霧環(huán)境中的時效性開展跟蹤檢測或試驗研究。對于加固改造后的結(jié)構(gòu)建議采用犧牲陽極陰極保護的防腐蝕措施。