某水閘工程植筋技術(shù)的應(yīng)用

馬 龍,牛芙蓉,趙朋飛

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 引言

植筋技術(shù)是在需連接的舊混凝土構(gòu)件上經(jīng)過(guò)鉆孔、清孔、注入植筋粘結(jié)劑,再插入所需鋼筋,然后澆筑新混凝土,從而完成新舊鋼筋混凝土的有效連接,達(dá)到共同作用、整體受力的目的。植筋技術(shù)在建筑物結(jié)構(gòu)允許的環(huán)境下,能夠起到便捷、安全和避免老混凝土受到破壞等作用,同時(shí)也能夠有效地發(fā)揮抗彎、抗拉能力[1]。植筋技術(shù)布置靈活,適用范圍廣,目前在房建工程中應(yīng)用較多。

陜西省某水庫(kù)水閘,水閘主體已經(jīng)施工完畢。因工況改變,下游河道最高水位超過(guò)閘門(mén)高約20 cm,需新設(shè)擋水胸墻預(yù)防下游洪水倒灌。現(xiàn)決定采用植筋技術(shù),完成新澆胸墻混凝土和水閘邊墻的連接。

胸墻為順利完成澆筑及植筋需要考慮確定以下幾個(gè)問(wèn)題：① 胸墻的體型問(wèn)題,確定胸墻的高寬；② 胸墻的受力問(wèn)題,確定胸墻的配筋； ③ 植筋深度問(wèn)題,確定植筋深度；④施工方法問(wèn)題。明確注意事項(xiàng)；④ 胸墻與邊墻連接可靠性問(wèn)題,提出增強(qiáng)可靠性方案。本文以陜西省某水庫(kù)水閘為例,就上述問(wèn)題展開(kāi)探討分析。

2 胸墻體型

胸墻視為單跨梁,跨度4.5 m（同水閘凈寬4.5 m）。為了防止下游河水倒灌入上游渠道,胸墻梁須伸入水閘閘門(mén)以下一定深度,考慮到閘門(mén)水封預(yù)壓量一般為3 mm～5 mm,本次設(shè)計(jì)梁高取1.9 m。簡(jiǎn)支梁的高寬比一般為2～3.5[2],梁寬取值范圍為0.54 m～0.95 m,本次取0.6 m,梁采用與水閘主體一致的C25 砼,具體見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 胸墻橫剖面

3 胸墻受力分析

對(duì)胸墻而言,下游最大水深只有20 cm,水壓力較小；胸墻跨中截面彎矩和支座處（胸墻和水閘邊墻結(jié)合處）剪力相對(duì)較大,為控制因素。本次計(jì)算忽略下游水壓力,只考慮自重均布荷載。

胸墻受力模型按不利原則考慮為簡(jiǎn)支梁,頂部受壓,底部受拉。同時(shí)跨度/梁高=2.37＞2,為深受彎構(gòu)件,水閘及胸墻為3 級(jí)建筑物,基本組合安全系數(shù)K=1.2。采用C25 混凝土, fc=11.9 N/mm2；保護(hù)層厚度取c=50 mm,梁高h(yuǎn)=1900 mm,寬b=600 mm,考慮為底部三層配筋,h0=1600 mm；鋼筋采用HRB400, fy=300 N/mm2。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）計(jì)算胸墻跨中彎矩M 支座和鋼筋面積AS,進(jìn)行鋼筋直徑選擇,同時(shí)校核支座處截面受剪承載力。

通過(guò)計(jì)算得出：跨中彎矩M=75.75（kN·m）,按照跨中彎矩求得受力鋼筋面積AS=172.75 mm2,按照最小配筋率計(jì)算得AS=1920 mm2,本次縱向受力鋼筋取7 根φ20（面積為2199 mm2）即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；支座處剪力設(shè)計(jì)值為67.33 kN,砼受剪承載力Vc=1426 kN,受剪承載力滿(mǎn)足要求；梁高大于450 mm,沿梁高均勻布置構(gòu)造鋼筋,構(gòu)造鋼筋和箍筋為簡(jiǎn)便計(jì), 同時(shí)取三級(jí)φ16@200mm, 拉筋采用φ10@400 mm×400 mm 鋼筋,植筋在閘墩兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。

4 植筋深度計(jì)算

規(guī)范明確規(guī)定[3]：植筋的錨固深度必須經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定,不可直接采用植筋粘接劑廠家手冊(cè)的推薦值。應(yīng)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367-2013）進(jìn)行植筋深度計(jì)算。植筋深度計(jì)算須依次確定基本錨固深度、深度修正系數(shù)、位移延性要求的修正系數(shù)和構(gòu)造要求。

4.1 基本錨固深度

結(jié)合實(shí)際情況,防止混凝土劈裂引用的計(jì)算系數(shù)αspt=1.05,植筋用膠黏劑的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fbd取2.7 N/mm2,鋼筋采用HRB400, fy=300 N/mm2（軸心受拉構(gòu)件）,故基本錨固深度：ls=0.2×1.05×20×300/2.7=467 mm。

4.2 錨固深度修整系數(shù)

胸墻按非懸挑的重要構(gòu)件考慮,考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)對(duì)承載力影響的系數(shù)ψbr=1.15,混凝土孔壁潮濕影響系數(shù)ψw=1.1,使用環(huán)境的溫度t 影響系數(shù)ψt=1.0。故：錨固深度修正系數(shù)ψN=1.15×1.1×1.0=1.265。

4.3 位移延性要求的修正系數(shù)

本工程地區(qū)屬于8 度Ⅱ類(lèi)地區(qū),故考慮植筋位移延性要求的修正系數(shù)ψae=1.25）。

4.4 計(jì)算長(zhǎng)度

ld植筋錨固深度設(shè)計(jì)值: ld（20 mm）≥ψNψaels=1.265×1.25×467 ≈740 mm

4.5 構(gòu)造要求

當(dāng)按構(gòu)造要求植筋時(shí),其最小錨固長(zhǎng)度lmin應(yīng)符合下列構(gòu)造要求：

1）受拉鋼筋錨固：max（0.3 ls；10 d；100 mm）,d 為鋼筋直徑,mm。

2）受壓鋼筋錨固：max（0.6 ls；10 d；100 mm）,ls為基本錨固深度,mm。

3）對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu),應(yīng)乘1.5 的系數(shù)。

胸墻結(jié)構(gòu)屬于非懸挑,頂部受壓,底部受拉,構(gòu)造要求最小錨固長(zhǎng)度為：0.6 ls=0.6×467=280 mm。

4.6 植筋深度

植筋錨固深度設(shè)計(jì)值：ld為740 mm,同時(shí)按照構(gòu)造要求,最小植筋長(zhǎng)度lmin為280 mm。植筋深度取構(gòu)造要求和計(jì)算值兩者之中的大值。因此本次植筋深度可取740 mm。

5 施工

應(yīng)選擇專(zhuān)業(yè)施工公司進(jìn)行施工,確保施工過(guò)程規(guī)范、有序。正確使用植筋技術(shù),才能充分發(fā)揮所植鋼筋的作用,從而保證胸墻的安全性。植筋技術(shù)一般工藝流程主要包括:定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋和后期養(yǎng)護(hù)。植筋的施工與驗(yàn)收應(yīng)符合《混凝土后錨固技術(shù)規(guī)程》。

值得注意的是,胸墻施工時(shí),左右側(cè)植筋應(yīng)分別進(jìn)行。一側(cè)所有植筋完成固化養(yǎng)護(hù)后,再進(jìn)行另一側(cè)鋼筋的植入,當(dāng)兩側(cè)鋼筋均完成養(yǎng)護(hù)后,方可進(jìn)行鋼筋的焊接。采用單面焊接,接頭長(zhǎng)度為10 d。鋼筋接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi),鋼筋連接區(qū)段不小于40 d（d 為鋼筋直徑）,同一連接區(qū)段內(nèi)鋼筋焊接接頭率不得大于50%。焊接時(shí),須用冰水浸漬的濕毛巾包裹植筋外露部位的根部[2]。在完成所有鋼筋的焊接及箍筋的綁扎后,方可澆筑胸墻砼。見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 胸墻配筋橫剖面圖

圖4 胸墻配筋縱剖面圖

6 胸墻與邊墻的連接

新舊混凝土連接處的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于整澆混凝土強(qiáng)度,剪力較大,為薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際植筋時(shí)存在以下問(wèn)題無(wú)法定量考慮：①鉆孔對(duì)周?chē)炷猎斐傻膿p害；②清孔不干凈會(huì)使結(jié)構(gòu)膠與混凝土之間的粘結(jié)力顯著下降；③植筋操作中注膠不飽滿(mǎn)使實(shí)際錨固長(zhǎng)度變小；④溫度、濕度、振動(dòng)等條件對(duì)結(jié)構(gòu)膠耐久性的不利影響；⑤結(jié)構(gòu)膠本身的質(zhì)量穩(wěn)定性的問(wèn)題。

為了減小上述不利因素帶來(lái)的影響,設(shè)計(jì)上可考慮加長(zhǎng)植筋深度,或者增加構(gòu)造措施以增強(qiáng)植筋的可靠性,增加安全儲(chǔ)備。為增強(qiáng)后澆胸墻與邊墻的整體性,本次提出以下三個(gè)方案。

（1）方案1

鑿毛胸墻與閘墩邊墻銜接處,頂部鑿毛100 mm,底部鑿毛50 mm,形成楔形體,嵌入原閘墩邊墻,這種方法可使部分胸墻自重自傳遞到邊墻上,從而減小跨中彎矩,進(jìn)而減小梁底部鋼筋所受拉力。見(jiàn)圖5。

圖5 胸墻植筋縱剖面圖（鑿毛）

楔形鑿毛對(duì)頂部砼破壞較多,因此頂層鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)在原有50 mm 的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大,以保證鋼筋拔出時(shí),鋼筋和砼發(fā)生整體破壞。同時(shí)植筋鉆孔應(yīng)避開(kāi)閘墩邊墻原有鋼筋,本次設(shè)計(jì)胸墻頂部第一排鋼筋砼保護(hù)層厚度取150 mm,使得胸墻頂部第一排鋼筋剛好位于已澆閘墩豎向2 排鋼筋的中間。

使用這種方法會(huì)對(duì)原混凝土構(gòu)件產(chǎn)生一定的破壞,且存在一定施工難度。

（2）方案2

原方案胸墻配筋,在中間排只有2 根鋼筋,鋼筋間距為500 mm,在滿(mǎn)足規(guī)范最小植筋間距s ≥5d（110 mm）的情況下,植筋可適當(dāng)加密。現(xiàn)中間排鋼筋增加至三根,新增加的鋼筋錯(cuò)行布置,避免局部植筋過(guò)密。新增鋼筋不是通長(zhǎng)鋼筋,對(duì)于跨中彎矩沒(méi)有幫助,但可以增加胸墻和邊墻的錨固,起到類(lèi)似錨桿的作用。見(jiàn)圖6。

有條件時(shí),可將植筋在新澆砼內(nèi)做成彎鉤,進(jìn)一步增強(qiáng)植筋可靠性。

（3）方案3

可借鑒《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于鋼筋錨固方面的規(guī)定,鋼筋穿透需植筋的構(gòu)件,在構(gòu)件的表面加一塊鋼板,鋼筋末端與鋼板穿孔塞焊,焊接完成后,采用壓力注膠的方法,將鋼板粘在柱子的表面,見(jiàn)圖7。

方案3需要構(gòu)件在加鋼板時(shí),需要邊墻一側(cè)具備施工面。實(shí)際工作中,很多構(gòu)件植筋另一側(cè)已澆筑砼或埋在地下,植筋不具備穿透構(gòu)件或加鋼板的條件,外加鋼板焊接對(duì)建筑美觀性也有一定影響。

三個(gè)方案可根據(jù)實(shí)際情況靈活采用,方案1 和方案2 可作為通用構(gòu)造措施,方案3 有一定局限性,不適合對(duì)美觀有要求的建筑。

本工程水閘位于某著名景點(diǎn),考慮到美觀性,本次不考慮方案3,同時(shí)采用方案1 和方案2,目前植筋效果良好。

7 結(jié)語(yǔ)

在建筑物加固及混凝土的補(bǔ)強(qiáng)工程中,植筋技術(shù)應(yīng)用廣泛。本文以某水庫(kù)水閘新增胸墻為例,對(duì)胸墻體型,受力,配筋和植筋深度進(jìn)行計(jì)算和說(shuō)明。為增強(qiáng)植筋的可靠性,增加安全儲(chǔ)備,提出三種植筋方案措施,并對(duì)各方案適用性進(jìn)行分析,得出適合本工程的植筋方案,可供類(lèi)似工程參考。