水闸混凝土构件老化分析与加固方法

夏兆光,吴 兵

(1.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002;2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223005)

1 问题的提出

由于施工质量、自然老化和运行管理等方面的原因,目前大部分水闸都出现了不同程度的老化病害现象,严重影响了工程效益的正常发挥,威胁人民的生命财产安全。所以,必须适时开展水闸工程老化评估和耐久性研究工作,以便充分了解水闸工程的工作性态,为水闸加固设计工作和管理部门的正确决策提供科学依据,在此基础上可以有目的、有计划地开展水闸工程除险加固建设。

2 水闸混凝土构件老化机理及分析

2.1 水闸钢筋混凝土构件老化机理

目前耐久性研究中,钢筋锈蚀通常大都指纵向钢筋,实际上箍筋首先锈蚀,当纵筋锈蚀截面损失率在5%～10%范围内时,箍筋已有很多锈断。在水闸钢筋混凝土构件的现场安全检测中,也发现了这个问题。钢筋混凝土梁构件的箍筋位于主筋的外面,且直径相对主筋较小,对截面损失更为敏感,因此往往可以发现箍筋锈蚀比纵向受力钢筋锈蚀更严重。

箍筋锈蚀后往往会造成:①箍筋截面面积减小,其屈服强度、弹性模量、延性下降;②箍筋对混凝土的约束作用降低;③混凝土保护层的锈胀开裂;④箍筋和混凝土粘结能力的降低。所以,箍筋锈蚀将在很大程度影响钢筋混凝士受弯构件抗剪承载能力。由于剪切破坏的脆性性质,一旦发生其后果要比正截面破坏严重得多。

2.2 有限元弹塑性分析模型

混凝土用8节点空间单元模拟,采用Williaal-Warnke 5参数破坏准则 (即:单轴抗拉强度、单轴抗压强度、双轴抗压强度、围压作用下的单轴抗压强度、围压作用下的双轴抗压强度),本构关系选用多线性随动硬化模型。混凝土本构关系选择适当与否,对计算结果有很大的影响,本文本构关系选取参考文献[1]。

钢筋平均半径损失较小时,可视为均匀锈蚀,钢筋的重量损失率W和钢筋的平均半径损失之间的关系,可表达为:

r为钢筋未锈蚀时的半径,Ao为钢筋未锈蚀时的截面面积,根据钢筋的重量损失率w可以求出锈后钢筋的截面面积如下:

另外,可以得到在均匀锈蚀下钢筋的名义屈服强度和名义弹性模量变化表达式[2]。

采用三维2节点杆单元模拟钢筋,其应力应变关系取理想弹塑性。通过杆单元截面面积和屈服强度及弹性模量的变化来模拟不同锈蚀情况下的箍筋均匀锈蚀后截面面积的减少及名义屈服强度、名义弹性模量的下降。由于箍筋为I级光圆钢筋且本文仅研究箍筋的锈蚀,可以不考虑箍筋及主筋与混凝土之间的粘结滑移性能。

采用8节点空间单元模拟钢垫板,应力—应变关系为线弹性。采用钢筋混凝土分离式模型,根据求解问题的对称性,取1/2模型进行有限元分析并施加对称边界条件。在支座处设25mm厚的钢垫板,以避免出现局部压坏而导致计算不收敛。

2.3 数值计算结果和分析

(1)有限元模型的验证。为验证有限元模型中各项参数的正确性,首先按照参考文献[3]对未锈蚀试验梁施加集中荷载分析 (本文仅考虑剪跨比λ=2的情况)。可以看出,初始阶段有限元计算结果与试验结果吻合良好,但是在后继阶段相差较大,可能是由于剪压破坏的脆性性质导致。有限元分析的极限荷载为140.75 kN,试验极限荷载为145.9 kN,误差3.5%。因此,可以认为该有限元模型可以较好地模拟试验梁。

(2)箍筋锈蚀率对梁承载力的影响。箍筋锈蚀率为0%、5%、10%时,在梁上旋加均布荷载后梁跨中荷载—挠度曲线见图1。

图1 梁跨中荷载～位移曲线图

荷载位移曲线上A点产生突变,主要是由于钢筋混凝土梁下边缘混凝土开裂,刚度突然减小,混凝土单元开裂退出工作所导致。但突变后,曲线又近似线性关系,荷载转由钢筋单独承担,梁的刚度较开裂前有所降低。有限元分析结果表明,随着箍筋的锈蚀:①箍筋锈蚀后,降低了对混凝土的约束作用,使梁的抗剪极限承载能力下降;②降低了受弯构件的刚度,特别是B点后,即构件开裂后的刚度;③梁的屈服段明显退化,发生脆性破坏。

3 水闸混凝土结构老化的加固处理方法

修补和加固,是对已建成投入运行的水闸所进行的缺陷处理,比新建往往更困难更复杂。必须首先对缺陷产生的原因和危害性做出准确的分析评估,然后灵活运用各种加固方法。

3.1 混凝土碳化的处理

视碳化深度和部位的不同,可以采取多种处理方法。一般而言,可以将碳化的混凝土全部凿去,表面清理干净,再用高于原混凝土设计标号的混凝土或其它修补材料进行修补加固;如果外露的钢筋已经产生锈蚀,必须先除锈再进行处理,锈蚀严重可能影响结构安全的,要通过计算换筋或重新更换构件。必须注意的是无论采取何种形式的碳化处理方法,都应该考虑一定的防碳化保护措施。

3.2 混凝土表面剥蚀处理

首先对原混凝土剥蚀面进行清洗,然后用各类修补材料进行修补。在选用修补材料时,应根据混凝土剥蚀的原因,采用不同的修补材料。

3.3 混凝土裂缝的处理

裂缝是水闸老化最常见的病害形式,裂缝会引起渗漏,加剧溶出性腐蚀及冻融破坏,更会影响到结构的强度安全,必须妥善加以修补。通常把裂缝分为死缝、活缝和增长缝等3种。修补裂缝的方法很多,归纳起来可分3大类:

(1)充填法。这是一种适合于修补较宽裂缝(裂缝宽度大于0.5 mm)的方法,具体做法是沿裂缝处凿 “U”形或“V”形槽,槽顶宽约l0 cm,在槽中充填密封材料。充填材料可用水泥砂浆、环氧砂浆、弹性环氧砂浆、聚合物水泥砂浆等。如果钢筋混凝土结构中钢筋己经锈蚀,则将混凝土凿除到能够充分处理已经生锈的钢筋部分,将钢筋除锈,然后进行防锈处理,再在槽中充填聚合物水泥砂浆或环氧树脂砂浆等材料。对于活缝,沿裂缝走向开一个“U”型槽,槽底垫1层与混凝土不粘的材料,如塑料片材,再填充弹性嵌缝材料,使其与槽两侧粘结。这样嵌缝材料沿槽的整个宽度可自由变形,裂缝发生张拉变形时,不会把嵌缝材料拉开。

(2)注入法。注入法分压力注入法(灌浆法)与真空吸入法2种。压力注入法适用于较深较细裂缝;而真空注入法则是利用真空泵使缝内形成真空,将浆材吸入缝内,该法适用于各种表面裂缝的修补。

(3)表面覆盖法。这是一种在微细裂缝 (一般宽度小于0.2 mm)的表面上涂膜,以提高其防水性及耐久性为目的的修补方法,分涂覆裂缝部分及全部涂覆2种方法。

3.4 结构构件的加固处理

对于水闸结构中一般分钢筋混凝土梁板及框架构件,经鉴定其可靠度不足时常采用下列几种办法进行加固:

(1)外包混凝土法。即根据需要在原构件的一侧、双侧、三面或四周外包混凝土并增设配筋量。

(2)外包钢法。在原构件四周包以型钢以大幅度提高承载力。当采用乳胶水泥粘贴角钢或在型钢与原构件之间用压浆方法粘结时称为湿式外包钢法。角钢直接外包在原构件四周,用缀条或螺栓套箍将角钢连成整体时,称为干式外包钢法。

(3)预应力加固法。用预应力钢拉杆对原结构进行加固。

(4)喷射混凝土法。构件表面破损(露筋、蜂窝、狗洞)但没有损害到钢筋时,可用喷射混凝土或钢纤维混凝土来加固。

4 增强水闸混凝土结构耐久性的建议

(1)根据目前病险水闸现状,必须抓好病险水闸安全鉴定及工程除险加固设计工作,控制和降低工程“病险率”。

(2)主管部门要对所有水闸建筑物进行定期检查,全面建立病害档案。对运行10 a以上的水闸,尤其是文革期及以前建成的中小型水闸要全面彻底检测,对各类病害有针对性地及时补救。对一般病害用环氧材料作补、堵、修,实践证明是行之有效的;对严重病害要做好除险加固修复工作;对于那些结构严重老化影响正常使用的构件建议拆除重建。

(3)加强工程管护,提高管理水平。加强工程日常养护工作,延缓工程老化周期,对重要大中型水闸,逐步采用计算机程控管理等先进管理技术,优化调度运行管理,实现水闸安全高效管理;努力建设一支高素质的水利工程管理人员队伍。

(4)搞好工程除险技术创新工作。水闸除险加固须注重应用新技术、新材料、新工艺,努力 提高工程设计水平、改善和提高水闸除险效果及资金效用,以利于工程的运行、维护和管理。

5 结 语

针对大部分水闸的钢筋混凝土构件出现不同的老化问题,利用有限元方法对箍筋锈蚀钢筋混凝土构件的老化机理进行分析,并在其基础上提出增强水闸混凝土结构老化的加固处理方法及水闸混凝土结构耐久性的建议。

[1]Hsuan-Teh Hu.Fu·Ming Lin,Yih-Yuan Jan.Nonlinear finite element analysis of reinforced concrete beams strengthened by fiberreinforced plastics[J],Composite Structures,2004(63):271-281.

[2]Lee H.S,Noguchi t,Tomosawa F.FE M analysis for structure performance of deteriorated RC structures due to rebar corrosion[A],Proceedings of the International Concrete Under Severe Conditfons,Tromsa,Norway,1998:327-336.

[3]徐善华.混凝土结构退化模型与耐久性评估[D].牛荻涛,指导.西安,西安建筑科技大学,2003:113-120.