碳纤维加固技术在水利工程中的应用研究

王怀国,秦英才

(1.山东省聊城市水利勘测设计院,山东聊城 252061;2.山东省聊城市河道工程管理处,山东 聊城 252061)

碳纤维加固技术在水利工程中的应用研究

王怀国1,秦英才2

(1.山东省聊城市水利勘测设计院,山东聊城 252061;2.山东省聊城市河道工程管理处,山东 聊城 252061)

针对王铺渡槽上部墩柱结构出现的大开度贯穿性裂缝,课题组经过全面分析和多方案综合对比,采用裂缝化灌、碳纤维加固、外表面刷涂水性环保型乳胶漆外墙涂料作为防护的综合措施对原工程进行有效的加固处理,并结合水利工程的自身特点改进了加固技术工艺,取得了显著的经济和社会效益。

水利工程;碳纤维;加固

1 工程概况

位山灌区王铺渡槽位于聊城市东昌府区王铺村南,是位山引黄灌区三干渠跨越马颊河的大型交叉建筑物,工程兴建于 1984年,渡槽设计流量 100m3/s,其担负着马颊河以北200万亩耕地适时灌溉和引黄济津供水任务。渡槽横断面为矩形(钢筋砼底板,平面钢闸门侧墙),下部结构为钢筋砼灌注桩盖梁组成的排架支撑结构,共 8跨,单跨跨径 12 m,槽身净宽 20 m。经多年使用,用于启闭钢闸门的部分墩柱出现横截面裂缝等损坏情况,墩柱断裂数目已过半,裂缝最大开展宽度 6mm。如不及时采取措施,势必对工程的安全运行及马颊河的安全度汛造成极大威胁。因此,对王铺渡槽进行补强加固是十分必要的。原渡槽横剖面见图 1。墩柱裂缝位置见图 2。

2 裂缝原因分析

经分析研究工程原设计、工程运用情况、工程管理情况等方面,汇总王铺渡槽墩柱及悬臂梁裂缝原因如下:

(1)马颊河内泥沙淤积严重,致使启门力加大,引起启闭机超载。

(2)管理单位未按设计工况提升闸门。当渡槽内水深低于1.5m时提升闸门,启闭机原设计容量 2×7.5T能够满足要求;当渡槽内水深超过1.5m时提升闸门,启闭机便超载运行。

3 设计指标确定

王铺渡槽加固设计指标主要是指启闭机启门力取值。

(1)分析工程实际运用情况,诸如马颊河内泥沙淤积、超水位提闸门等不利情况,应加大原启闭机容量。

(2)根据《碳纤维片材加固修复砼结构技术规程 CECS 146:2003》(以下简称《规程》)中 4.3.5条“结构加固后受弯承载力的提高幅度不宜超过 40%的规定”,应限定启闭机容量的增大范围。

综合以上分析研究,确定启闭机启门力由原 2×7.5 T增为 2×10T,以 2×10 T作为设计荷载对渡槽墩柱进行补强加固。

图1 渡槽横剖面

图2 墩柱裂缝位置

4 加固方案比选

对比粘钢加固、碳纤维加固方案,碳纤维加固具有强度高、重量轻、厚度薄以及良好的耐久性、耐腐蚀性、施工便捷、质量易保证等优点,技术可行,经济合理,故采用碳纤维加固方案对王铺渡槽补强加固。粘钢加固、碳纤维加固方案比较见表 1。

表1 粘钢加固、碳纤维加固方案比较

5 工程内容

根据工程资金情况及工程结构强度复核结果,本次施工仅对已出现裂缝的 9个中墩进行加固处理,共粘贴碳纤维布166.5m2;对裂缝开展宽度大于 0.3 mm的墩柱裂缝采取裂缝化灌处理;加固完毕后,对全部 18个墩柱外表面刷涂水性环保型乳胶漆外墙涂料作为防护。

6 设计要点

6.1 加固材料选用

碳纤维加固技术近些年来在日本及欧美等发达国家发展迅速,已广泛应用于桥梁、工业与民用建筑以及地铁、烟囱等特种结构的修复补强。我国从 1997年才开始引进该项技术,已逐步应用于桥梁及房屋建筑工程,但国内用于水利工程修复加固的先例少。考虑王铺渡槽补强加固的特殊性(水利工程露天环境下的风雨侵蚀、紫外线照射、环境湿度大等),选择加固材料时应将原材料质量和力学性能指标放在首位,其次应注重材料的经济性。综合比较国内外碳纤维加固材料的力学性能、碳纤维片材在碳纤维束排列的匀质性、预浸树脂的含量、碳纤维的断丝率、经济性等指标,决定采用新日铁公司生产的 FTS-C1-30型碳纤维布、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心生产的碳纤维配套粘结树脂。

6.2 加固材料性能指标选用

根据《规程》4.1.3条“碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变,按线弹性应力应变关系确定其相应的应力。”,4.1.4条“碳纤维片材应取生产厂提供的不小于 95%保证率的极限抗拉强度作为抗拉强度标准值 fcfk.。碳纤维片材的极限拉应变 εcfu应取其抗拉强度标准值 fcfk除以弹性模量 Ecf。”的规定,FTS-C1-30型碳纤维布的设计抗拉强度应根据弹性模量 Ecf=2.35×105Mpa(厂商提供)与构件达到极限状态时碳纤维布的允许拉应变二者乘积来确定。

6.3 计算公式的选用及计算假定

碳纤维片材拉应变平面假定法。

计算假定:①构件达到受弯承载力极限状态时,碳纤维片材的拉应变按截面应变保持平面的假定确定,但不应超过碳纤维片材允许拉应变[εcf]。

②达到受弯承载力极限状态前,碳纤维片材与砼之间不发生粘结剥离破坏。

③受拉钢筋先达到屈服,然后碳纤维片材超过其允许拉应变并达到极限拉应变而断裂,此时受压区砼濒临压坏状态。

计算公式:采用《规程》公式 4.3.2-4:

M为包含初始弯距的总弯距设计值;fy为受拉钢筋的抗拉强度设计值;As为受拉钢筋截面面积;h0为截面有效高度;ξcfb为碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度;h为截面高度;Ecf为碳纤维片材弹性模量;[εcf]为碳纤维片材允许拉应变;Acf为受拉面粘贴的碳纤维片材截面面积。

并补充力平衡公式如下:

fcbx=fyAs+Ecf[εcf]Acf

fc为混凝土抗压强度设计值;b为截面宽度;x为混凝土受压区高度。

6.4 碳纤维布粘贴布置型式

(1)条宽选择。FTS-C 1-30型碳布幅宽 500 mm,设计中依据结构断面型式将碳布裁剪成两条,单条宽度 250mm,既便于施工又保证了施工质量。

(2)设置 U型箍。设置 U型箍目的在于将碳纤维布与砼紧密粘结在一起,防止结构受力时发生粘结剥离破坏。顶部悬臂横梁上的 U型箍兼起抗剪作用。

(3)碳纤维布搭接。为弥补渡槽墩柱原钢筋布置缺陷,将墩柱立面碳纤维布延伸 800mm粘贴在悬臂横梁顶面,以使受力体保持连续完整性。同时为避免碳纤维布在转角处形成褶皱造成应力集中,必须将该处砼打磨平顺。

6.5 外表面防护设计

对加固修复完的结构外表面涂刷波音兰色水性环保型乳胶漆外墙涂料防护,以减少环境因素对碳纤维布及其配套树脂的侵蚀,同时使建筑物外观协调、美观。

碳纤维加固布置图见图 3。

图3 墩柱碳纤维加固布置图

7 结语

王铺渡槽加固施工于 2004年 9月完成,施工质量优良,工程总投资 44万元,同时施工未影响干渠正常输水,确保了灌区耕地适时灌溉和引黄济津输水。加固后工程运行良好,未发现任何异常,取得了显著的经济及社会效益。

工程运用情况表明,该项目前期研究分析工作全面准确,所采用的裂缝化灌、碳纤维加固和水性环保型乳胶漆涂料防护的综合补强技术安全、适用,施工工艺技术及质量控制措施科学合理,可有效延长水利工程的使用寿命和提高工程投资效益,为今后处理同类工程提供了成功经验。

[1]《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96

[2]《混凝土加固技术规范 CECS25:90》

[3]《碳纤维片材加固修复砼结构技术规程 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

A

1004-1184(2011)01-0165-03

2010-08-02

王怀国(1974-),男,山东莘县人,高级工程师,主要从事水利工程设计工作。