基于植筋技术的码头新旧结构加固试验模拟

胡少伟

(1．南京水利科学研究院，江苏 南京 210029;2．水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

近年来，随着我国水运需求的不断发展，港口工程的升级改扩建成为急需开展的工作． 为最大程度利用原码头结构功能，新旧码头结构如何较好联合承载是这一工作中的难点． 国内外结构扩建多采用两种形式:一种是新旧两种结构上部不连接，采用在新旧结构连接处设置纵向伸缩缝等构造措施，多用于刚性结构面;另一种是新旧两种结构上部刚性连接，这种连接形式在国外已经比较成熟，适合码头各种主体结构的连接．随着建筑技术的发展，植筋技术在加固改造工程中普遍开始应用． 植筋是在已有的混凝上结构或构件上成孔，然后用植筋胶体将新增钢筋与原混凝上黏结牢固．

近年来，国内开展了大量关于植筋验证型方面的试验，以直接拉拔试验为主，主要研究了植筋抗拉拔承载力［1－2］、植筋破坏机理和破坏形式［3］、植筋技术在工程中的应用［4］等．同济大学张建荣等［5］研究了植筋锚固在混凝土构件受拉区的受力性能，提出黏结锚固性能受基材的应力状态及植筋混凝土保护层厚度的影响．清华大学闫锋等［6］对植筋混凝土柱延性和耗能能力进行了试验研究，提出结构胶植筋混凝土柱在反复荷载作用下具有良好的延性和耗能能力．蒋程等［7］分析了配筋率、截面尺寸、混凝土强度等因素对植筋连接抗剪性能的影响． 周新刚等［8］开展环氧砂浆植筋锚固技术试验研究，提出植筋锚固构件具有良好的延性． 国外对植筋黏结锚固性能的研究成果也比较丰富，主要为植筋黏结机理、植筋黏结滑移特性、植筋的破坏形态和植筋破坏的极限承载力，并得出了一些设计计算公式［9－11］． 目前在采用植筋连接的新旧结构加固中，植筋深度和锚固深度对加固效果的影响还需要做进一步的试验研究，才能为实际加固工程提供更准确的设计参数，进而对新结构的安全性进行正确地评估．

针对新旧结构如何联合承载这一工程问题，笔者以浙江沿海某板桩码头升级改造工程为例，通过实体结构检测和承载数值仿真两种技术方法，分析加固改造效果，以评估码头结构的安全现状．

1 工程背景

温州某渔港由于渔业发展迅速，渔船数量急剧增加，内港驳岸不堪负重，加上2005 年至2007 年台风，原码头Ⅱ、Ⅲ结构段出现了险情． 根据两段码头的破坏情况，在原码头前2 m 采用直径800 mm 的钻孔灌注桩，平均桩长40 m，间距5 m，在－0．5 m处用1 200 mm ×1 200 mm 的横梁连接，在原结构+1．77 m承台前缘凿毛，植入钢筋浇注新承台板［12－14］．根据加固后结构的外观调查与现场实际检测结果，码头结构基本完好，未发现明显的裂缝或构件破损现象．

2 码头结构加固后评价

2．1 分析模型

采用ABAQUS 三维有限元软件建立了Ⅲ段码头结构的模型，开展了结构的三维静力分析，以评估码头结构的安全现状． 用空单元来描述被剥落或开挖的材料，其应力值为0，这些单元上没有质量力(重力)的作用． 在模拟过程中，空单元可以在任何阶段转化成具有不同材料特性的单元，例如开挖后回填．本模型中用该单元来模拟土体的开挖过程．摩尔－库仑模型是最早提出的适用于岩土类材料的弹塑性本构模型之一，这里选用该模型对土体进行弹塑性分析．该模型共计7 835 个单元，6 456 个节点;X 轴方向长10．6 m，Z 轴方向长54．4 m，Y 轴方向长35．5 m，如图2 所示．

图2 Ⅲ段码头模型

2．2 土层参数

码头附近各土层主要力学参数见表1．

表1 模型各土层力学参数

2．3 植筋参数

种植钢筋的轴向锚固拉力性能与所钻孔径、钢筋埋入深度及所植入基材的设计强度等级有关． 此次试验，共浇筑了3 个基材混凝土试件，尺寸为600 mm×600 mm×600 mm，如图3 所示．设计混凝土强度等级为C30，钢筋直径为16 mm．结构胶的配比(环氧∶固化剂∶干燥细砂)为1．00∶0．25∶2．00．

根据种植钢筋的直径进行钻孔，孔径22 mm，并清除孔内灰尘，使其表面洁净，增加黏接强度． 植筋前清除钢筋表面锈蚀物，确保钢筋表面光洁，竖直钢筋与水平钢筋的试验值分别见表2 和表3．

图3 试验试件

表2 植筋后轴向锚固拉力值(竖直钢筋)

表3 植筋后轴向锚固拉力值(水平钢筋)

2．4 结果分析

该模型计算码头的沉降值比实际观测值要大．其主要原因是码头上部设计有挡浪墙，致使码头上部较窄(只有5．5 m)，车辆行驶不便，因此，实际中承受的荷载较小．偏于安全考虑，分析时仍按码头承受较大的荷载(20 kN/m2)来计算．码头结构在外载作用下，新旧平台结合处的内力见表4．在新旧承台结合处的应力值，无论是剪应力还是正应力，都很小．

表4 新旧结构结合面处的应力104 Pa

根据码头新旧承台结合处的植筋方式，钢筋间距20 cm，共上、下两排，则在10 m 的宽度范围内共植筋102 根．由于试验过程中与实际施工情况有所差异，因此选择拉拔试验中的最小拉拔力作为分析依据，以确保试验安全． 根据拉拔试验可知，其能承受的外力为

F=102 ×31 =3 162(kN)，

作用在承台上的应力可折换为

3 162 ÷10 ÷0．6 =527(kPa)=

52．7 ×104(Pa)＞24．36 ×104(Pa)，

因此，承台结构是安全的．Ⅲ段码头承台结合面处法向应力和剪应力分别如图5 和图6 所示．

图5 Ⅲ段码头承台结合面法向应力(单位:Pa)

图6 Ⅲ段码头承台结合面剪应力(单位:Pa)

2．5 后续验证

该码头工程加固后，在附近居民住宅处选择基准点，在Ⅲ段码头布置17 个测点，开展为期半年的沉降观测．根据两段码头的沉降值，可计算得到其月最大沉降值分别为3．84 mm 和3．07 mm．

《建筑变形测量规范》(JGJ/T 8—97)规定:沉降值不大于2．828 倍的测量允许误差，即可认为沉降稳定．对于3 级水准测量，其允许误差为±3 mm，沉降不大于8．5 mm．该沉降值小于5 mm，因此可认为码头结构沉降稳定．

3 结 语

1)根据试验获取计算参数，对某板桩码头Ⅲ段结构进行仿真分析．经计算，新旧承台连接处的应力较小，计算结果表明其抗拔力能够抵抗结合面处的拉力，新旧结构连接部位(承台结构)是安全的．

2)采用植筋连接增大截面的加固方式对构件的损伤程度较小，且操作简单，施工速度快，施工质量更能得到保证，具有更好的经济性．此方法在今后的混凝土结构改造加固中将可以广泛应用［15－17］．

3)植筋胶的固化时间与温度有很大的关系． 结构胶在潮湿的环境下固化，固化后与混凝土的黏结强度低．由于试验时的湿度和温度与施工现场差距很大，因此试验结果和实际结果肯定存在差异，可取试验测得的最小值进行分析计算．

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