碳纖維加固技術在水利工程中的應用研究

王懷國,秦英才

(1.山東省聊城市水利勘測設計院,山東聊城 252061;2.山東省聊城市河道工程管理處,山東 聊城 252061)

碳纖維加固技術在水利工程中的應用研究

王懷國1,秦英才2

(1.山東省聊城市水利勘測設計院,山東聊城 252061;2.山東省聊城市河道工程管理處,山東 聊城 252061)

針對王鋪渡槽上部墩柱結構出現的大開度貫穿性裂縫,課題組經過全面分析和多方案綜合對比,采用裂縫化灌、碳纖維加固、外表面刷涂水性環保型乳膠漆外墻涂料作為防護的綜合措施對原工程進行有效的加固處理,并結合水利工程的自身特點改進了加固技術工藝,取得了顯著的經濟和社會效益。

水利工程;碳纖維;加固

1 工程概況

位山灌區王鋪渡槽位于聊城市東昌府區王鋪村南,是位山引黃灌區三干渠跨越馬頰河的大型交叉建筑物,工程興建于 1984年,渡槽設計流量 100m3/s,其擔負著馬頰河以北200萬畝耕地適時灌溉和引黃濟津供水任務。渡槽橫斷面為矩形(鋼筋砼底板,平面鋼閘門側墻),下部結構為鋼筋砼灌注樁蓋梁組成的排架支撐結構,共 8跨,單跨跨徑 12 m,槽身凈寬 20 m。經多年使用,用于啟閉鋼閘門的部分墩柱出現橫截面裂縫等損壞情況,墩柱斷裂數目已過半,裂縫最大開展寬度 6mm。如不及時采取措施,勢必對工程的安全運行及馬頰河的安全度汛造成極大威脅。因此,對王鋪渡槽進行補強加固是十分必要的。原渡槽橫剖面見圖 1。墩柱裂縫位置見圖 2。

2 裂縫原因分析

經分析研究工程原設計、工程運用情況、工程管理情況等方面,匯總王鋪渡槽墩柱及懸臂梁裂縫原因如下:

(1)馬頰河內泥沙淤積嚴重,致使啟門力加大,引起啟閉機超載。

(2)管理單位未按設計工況提升閘門。當渡槽內水深低于1.5m時提升閘門,啟閉機原設計容量 2×7.5T能夠滿足要求;當渡槽內水深超過1.5m時提升閘門,啟閉機便超載運行。

3 設計指標確定

王鋪渡槽加固設計指標主要是指啟閉機啟門力取值。

(1)分析工程實際運用情況,諸如馬頰河內泥沙淤積、超水位提閘門等不利情況,應加大原啟閉機容量。

(2)根據《碳纖維片材加固修復砼結構技術規程 CECS 146:2003》(以下簡稱《規程》)中 4.3.5條“結構加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過 40%的規定”,應限定啟閉機容量的增大范圍。

綜合以上分析研究,確定啟閉機啟門力由原 2×7.5 T增為 2×10T,以 2×10 T作為設計荷載對渡槽墩柱進行補強加固。

圖1 渡槽橫剖面

圖2 墩柱裂縫位置

4 加固方案比選

對比粘鋼加固、碳纖維加固方案,碳纖維加固具有強度高、重量輕、厚度薄以及良好的耐久性、耐腐蝕性、施工便捷、質量易保證等優點,技術可行,經濟合理,故采用碳纖維加固方案對王鋪渡槽補強加固。粘鋼加固、碳纖維加固方案比較見表 1。

表1 粘鋼加固、碳纖維加固方案比較

5 工程內容

根據工程資金情況及工程結構強度復核結果,本次施工僅對已出現裂縫的 9個中墩進行加固處理,共粘貼碳纖維布166.5m2;對裂縫開展寬度大于 0.3 mm的墩柱裂縫采取裂縫化灌處理;加固完畢后,對全部 18個墩柱外表面刷涂水性環保型乳膠漆外墻涂料作為防護。

6 設計要點

6.1 加固材料選用

碳纖維加固技術近些年來在日本及歐美等發達國家發展迅速,已廣泛應用于橋梁、工業與民用建筑以及地鐵、煙囪等特種結構的修復補強。我國從 1997年才開始引進該項技術,已逐步應用于橋梁及房屋建筑工程,但國內用于水利工程修復加固的先例少。考慮王鋪渡槽補強加固的特殊性(水利工程露天環境下的風雨侵蝕、紫外線照射、環境濕度大等),選擇加固材料時應將原材料質量和力學性能指標放在首位,其次應注重材料的經濟性。綜合比較國內外碳纖維加固材料的力學性能、碳纖維片材在碳纖維束排列的勻質性、預浸樹脂的含量、碳纖維的斷絲率、經濟性等指標,決定采用新日鐵公司生產的 FTS-C1-30型碳纖維布、國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心生產的碳纖維配套粘結樹脂。

6.2 加固材料性能指標選用

根據《規程》4.1.3條“碳纖維片材應根據構件達到極限狀態時的應變,按線彈性應力應變關系確定其相應的應力。”,4.1.4條“碳纖維片材應取生產廠提供的不小于 95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值 fcfk.。碳纖維片材的極限拉應變 εcfu應取其抗拉強度標準值 fcfk除以彈性模量 Ecf。”的規定,FTS-C1-30型碳纖維布的設計抗拉強度應根據彈性模量 Ecf=2.35×105Mpa(廠商提供)與構件達到極限狀態時碳纖維布的允許拉應變二者乘積來確定。

6.3 計算公式的選用及計算假定

碳纖維片材拉應變平面假定法。

計算假定:①構件達到受彎承載力極限狀態時,碳纖維片材的拉應變按截面應變保持平面的假定確定,但不應超過碳纖維片材允許拉應變[εcf]。

②達到受彎承載力極限狀態前,碳纖維片材與砼之間不發生粘結剝離破壞。

③受拉鋼筋先達到屈服,然后碳纖維片材超過其允許拉應變并達到極限拉應變而斷裂,此時受壓區砼瀕臨壓壞狀態。

計算公式:采用《規程》公式 4.3.2-4:

M為包含初始彎距的總彎距設計值;fy為受拉鋼筋的抗拉強度設計值;As為受拉鋼筋截面面積;h0為截面有效高度;ξcfb為碳纖維片材達到其允許拉應變與混凝土壓壞同時發生時的界限相對受壓區高度;h為截面高度;Ecf為碳纖維片材彈性模量;[εcf]為碳纖維片材允許拉應變;Acf為受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積。

并補充力平衡公式如下:

fcbx=fyAs+Ecf[εcf]Acf

fc為混凝土抗壓強度設計值;b為截面寬度;x為混凝土受壓區高度。

6.4 碳纖維布粘貼布置型式

(1)條寬選擇。FTS-C 1-30型碳布幅寬 500 mm,設計中依據結構斷面型式將碳布裁剪成兩條,單條寬度 250mm,既便于施工又保證了施工質量。

(2)設置 U型箍。設置 U型箍目的在于將碳纖維布與砼緊密粘結在一起,防止結構受力時發生粘結剝離破壞。頂部懸臂橫梁上的 U型箍兼起抗剪作用。

(3)碳纖維布搭接。為彌補渡槽墩柱原鋼筋布置缺陷,將墩柱立面碳纖維布延伸 800mm粘貼在懸臂橫梁頂面,以使受力體保持連續完整性。同時為避免碳纖維布在轉角處形成褶皺造成應力集中,必須將該處砼打磨平順。

6.5 外表面防護設計

對加固修復完的結構外表面涂刷波音蘭色水性環保型乳膠漆外墻涂料防護,以減少環境因素對碳纖維布及其配套樹脂的侵蝕,同時使建筑物外觀協調、美觀。

碳纖維加固布置圖見圖 3。

圖3 墩柱碳纖維加固布置圖

7 結語

王鋪渡槽加固施工于 2004年 9月完成,施工質量優良,工程總投資 44萬元,同時施工未影響干渠正常輸水,確保了灌區耕地適時灌溉和引黃濟津輸水。加固后工程運行良好,未發現任何異常,取得了顯著的經濟及社會效益。

工程運用情況表明,該項目前期研究分析工作全面準確,所采用的裂縫化灌、碳纖維加固和水性環保型乳膠漆涂料防護的綜合補強技術安全、適用,施工工藝技術及質量控制措施科學合理,可有效延長水利工程的使用壽命和提高工程投資效益,為今后處理同類工程提供了成功經驗。

[1]《水工混凝土結構設計規范》SL/T191-96

[2]《混凝土加固技術規范 CECS25:90》

[3]《碳纖維片材加固修復砼結構技術規程 CECS 146:2003》

Study on Carbonized Fibre Rein force App lication of W ater Engineering

WANG Huai-guo1,Q IN Y ing-cai2
(1.LiaoCheng Water Resources Reconnaissance＆Design Institute,Liaocheng252061,Shandong 2.LiaoCheng River Adm inistration,Liaocheng 252061,Shandong)

For the big transfixion crack happened to the frusta structure o f the upper of Wangpu aqueduct,the research group has done a comp rehensive analysis and multi-program comp rehensive comparison,used of filling cracks,carbon fiber reinforcement,exterior environmentally water-based latex paint brush on the outer surface,the outer wall as comprehensive measures of protection works on the original effective rein forcement,combined with water p rojects?own characteristics to imp rove the technological processes,and achieved remarkable econom ic and soc ial benefits.

Water Engineering;Carbonized Fibre a

TV 698.2+4

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1004-1184(2011)01-0165-03

2010-08-02

王懷國(1974-),男,山東莘縣人,高級工程師,主要從事水利工程設計工作。