外包钢+预应力桁架法在石洞江渡槽排架加固设计中的应用

喻成田大作王祥蒋首超

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007；3.同济大学上海市200092）

外包钢+预应力桁架法在石洞江渡槽排架加固设计中的应用

喻成1，2田大作1，2王祥1，2蒋首超3

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007；3.同济大学上海市200092）

针对湖南省欧阳海灌区石洞江渡槽安全鉴定中明确的渡槽病险问题，结合其除险加固工程设计实例，对外包钢+预应力桁架法在渡槽排架加固设计中的应用进行了介绍，采用三维结构有限元分析软件（DLUBAL RFEM 3D）对加固方案进行模拟分析计算，结果表明当采用该加固方案时，石洞江渡槽排架混凝土、钢筋及钢结构最大应力均减小到允许范围内，排架结构顶部位移亦可明显降低，并简述了该加固方法的技术特点及施工工艺，为类似工程提供参考。

外包钢预应力桁架结构渡槽排架加固设计工程应用

引言

外包钢混凝土结构是一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的组合结构型式，构造特点是采用外包角钢代替构件内配筋，设置在构件的四角,并与混凝土面齐平，角钢之间用钢筋焊接构成骨架它兼有钢结构和钢筋混凝土结构的特征和优点[1]，国外对它的研究始于20世纪60年代初，我国则于80年代初开始对这种结构进行研究，取得了一定的成果，据不完全统计，国内先后已有电力、石油、轻工、冶金等部门约20多个工程采用了外包钢结构，有的投入了使用。考虑到经济技术措施和加固效果，该结构适用范围仍在扩大，而且多用于梁、柱的加固，特别是轴心受压柱的外包钢加固更为广泛，效果更好[2～3]。

针对石洞江渡槽排架存在的问题，由于排架本身高度较高，大部分排架高度大于20 m，最大的达28 m左右，风荷载对排架顶部位移影响较大，原排架框架结构体系抗弯效果较差，若采用单纯的外包钢排架柱的方式，只能解决排架柱的受压问题，不能减少风荷载对其顶部位移的影响[4～5]，故经方案比选，在采用湿式外包钢排架柱的同时，将原排架框架体系改为预应力桁架体系，就能较好地解决这些病险问题，模拟分析计算结果表明，当采用上述加固方案时，渡槽排架混凝土、钢筋及钢结构最大应力均减小到允许范围内，排架结构顶部位移亦可明显降低，效果良好。

1 工程概况

石洞江渡槽工程位于湖南省衡阳耒阳市洲陂乡境内，桩号：东支干渠41+055～42+147，全长1 092 m，共31跨，设计流量13.5 m3/s，加大流量14.69 m3/s，纵坡1/1 500，糙率0.011，设计水深2.11 m，加大水深2.22 m，设计流速2.29 m/s，加大流速2.33 m/s，超高0.38 m，总水头损失1.02 m。

渡槽槽壁厚0.05 m，净宽3.4 m，净深2.6 m，结构型式均为单排架简支不等跨变截面双悬臂“U”型槽，槽身标准段为36 m跨双悬，排架断面尺寸0.35 m×0.9 m，原设计最大高度27.97 m，基础62个。“壳槽”材料为加筋钢丝网水泥砂浆，钢丝的直径1 mm，钢丝网格为10 mm×10 mm，环向、纵向、斜向加筋直径6 mm；“壳槽”内缘（即临水面）设有玻璃纤维增强塑料；槽身和排架采用预制吊装施工。“壳槽”400#砂浆和500#砂浆用量仅873 m3，钢丝网用量仅59 t，加筋量仅78 t。

石洞江渡槽工程于1970年通水运行，至今已有40多年，出现过一些隐患，这些隐患中的部分已作过一些处理，但由于资金问题，前期工作深度不够等原因，对渡槽加固处理不彻底，目前渡槽仍存在部分工程隐患及问题有待进一步加固处理，为此，在除险加固前对其进行了全面的现场检测和模拟计算分析。

1.1 渡槽排架现场检测情况

现场检查结果认为，排架普遍存在混凝土保护层剥落或翘起，钢筋外露锈蚀现象。综合检查结果，根据老损程度的不同，将排架当前整体老损情况分为以下4个等级：轻度、中度、较严重、严重。

其中露筋与剥落情况严重的有8#、9#、10#、11#、13#、14#、15#、18#、38#；露筋与剥落情况较为严重的有：17#、19#、25#、37#、46#。剥落或翘起露筋情况见图1、图2所示。

图1 立柱外侧剥落和露筋问题

图2 横梁底部剥落和露筋问题

此外，排架混凝土构件的抗压强度推定值为16 MPa，排架竖梁不同侧面保护层厚度不一，大多数部位不满足现行相关规范规定的最小保护层厚度规定，且排架梁表层混凝土碳化深度整体均较大（26 mm～35 mm），均超过保护层厚度。

排架混凝土外部剥落或翘起部位钢筋锈蚀严重，局部表层呈酥松锈块状，有效截面积较大程度减少；而且剥起部位钢筋锈蚀向未剥起部位发展，且影响（或发展）范围较大；保护层完好部位钢筋较为完好，仅表层稍有氧化，钢筋有效截面积受影响较小。

1.2 渡槽排架受力结构分析

为和现场荷载试验结果对比，这里采用2 m水深的情况，采用三维结构有限元分析软件（DLUBAL RFEM 3D）对9#渡槽进行分析[6～7]。9#渡槽相应的模型如图3所示。为进行结果对比，荷载和结构模型按照原检测报告取用。

图3 渡槽9#槽段三维有限元模型

根据检测结果：排架立柱内侧碳化深度（21～ 27）mm，外侧碳化深度（33～41）mm，所以排架立柱截面由350 mm×900 mm减小为：280 mm×830 mm。

槽身薄壳水泥砂浆构件的强度推定值为26 MPa，碳化深度（1～2）mm，存在钢筋外露和钢丝网锈蚀问题，所以渡槽薄壳部分的厚度由50 mm修改为45 mm。

槽身上部大头混凝土构件的抗压强度推定值为17 MPa，碳化深度30 mm左右，所以上部大头部分的混凝土厚度由300 mm修改为240 mm。

三维有限元模型及计算结果如图4～图7所示。

经计算，排架结构立柱和横梁的轴力和弯矩结果如表1所示，与检测结果相比，二者表现基本一致。在设计荷载作用下，考虑混凝土材料非线性和几何非线性的情况下，排架顶部位移分别达到41 mm和45 mm。

因此，排架结构复核存在以下问题：①原设计排架柱截面尺寸偏小：在设计荷载组合（自重+风荷）和校核荷载组合（自重+设计输水+风荷）情况下，排架柱根部以及下部横梁连接部柱体中的竖向压应力均超过了排架现状检测混凝土强度推荐等级相应的强度设计值和原设计混凝土强度等级的强度设计值，且现排架柱已发生锈胀破坏，其有效截面正在不断减小。②保护层厚度及最小配筋率不满足要求：原设计排架柱等结构主筋的混凝土保护层厚度为25 mm、最小配筋率为0.24%，均小于现行《水工砼结构设计规范》相关强制性条文的规定。③混凝土强度不满足要求：原设计排架混凝土强度等级为C20，不满足现行《水工混凝土结构设计规范》关于设计使用年限为50年的水工结构，配筋混凝土耐久性的要求。④原设计单排架柱与横梁均为直角正交，之间未设贴角，梁柱结构点处钢筋配置也不尽与现行规范要求相符。

图4 排架立柱轴力图

图5 排架立柱弯矩图

图6 排架横梁弯矩图

图7 排架顶部位移图

表1 有限元结果与检测内力对比

2 排架加固设计方案

2.1 设计方案

根据排架存在的问题，对排架提出以下几种加固方案，方案内容如下：

方案一：外包钢加固排架结构：外包钢结构加固采用在原排架结构立柱四角增加L125×8，同时增加环箍。

当采用外包钢加固并采用L125×8的角钢时，在最不利荷载组合工况下，钢筋和角钢的最大应力为62.1 MPa，混凝土立柱最大压应力为6.7 MPa。低于混凝土的设计许用应力（9.6 MPa），所以采用外包钢的结构加固能够满足强度要求。在垂直水流方向和顺水流方向纵向风荷载作用下的排架顶部位移分别为：20.7 mm和39.8 mm。

方案二：整体加大截面加固排架结构：单纯的采用C40灌浆材料加固整个排架，加固厚度为100 mm，以增加排架结构断面。

当对排架结构立柱和横梁均采用加大截面加固，混凝土的最大压应力可降低至5.3 MPa，小于混凝土的设计强度（9.6 MPa），钢筋最大应力为：126.0 MPa。可见，采用加大截面加固后，混凝土强度和钢筋强度均能满足设计要求。对排架进行加大截面加固后，在横向风和纵向风荷载作用下排架顶部位移分别为：17 mm和28 mm，可见，当只对立柱进行加大截面加固时，对排架结构的刚度提高明显。

方案三：外包钢+桁架结构加固：原排架结构为框架抗弯体系，在现有基础上，改变结构体系，将原来框架体系改为桁架体系，并对立柱进行包钢加固时，对结构强度和刚度均贡献较大。其中桁架腹杆采用四根L100×12角钢（只考虑受拉），立柱四角采用四根L125×8角钢+PL100×6@400环板。

当采用改变结构体系+外包钢加固时，混凝土的最大压应力可降低至5.4 MPa，小于混凝土的设计强度（9.6 MPa），原钢筋及钢结构最大应力为67 MPa，小于钢材的设计强度（215 MPa）。当改变结构体系时，对结构的横向变形也有贡献，此时结构顶部位移为10.5 mm。在纵向风荷载作用下，排架顶部最大位移为：39.7 mm，加固后混凝土最大压应力为6.3 MPa，小于混凝土设计强度（9.6 MPa），钢筋及钢结构最大应力为67 MPa，小于钢材设计强度（215 MPa）。

通过对加固后结构的振动特性分析：结构第一阶振型仍然和原结构基本相同，自振周期仍为3.7 s。而第二、三阶自振周期分别为：1.06 s和1.04 s，自振周期小于原结构自振周期（1.18 s和1.17 s），说明加固后比原结构刚度有所提高。这在位移的计算结果中亦有所体现。所以，采用外包钢+桁架结构时，有效改变了原结构的受力状态，提高了结构的整体刚度。

方案四：外包钢+预应力桁架加固：在方案三的基础上，并对加固的桁架腹杆施加预应力（10 kN），同时采用改变排架结构体系为桁架结构、外包钢加固及施加预应力，从而使已经发生裂缝的混凝土立柱裂缝闭合，减小横向变形，恢复原状，见图8～图10。

图8 采用方案四加固后排架混凝土结构应力图

施加预应力后，在最不利荷载作用下，混凝土最大压应力为：6.3 MPa。最大钢筋及钢结构应力为65.2 MPa，均小于许用应力。在垂直水流方向风荷载作用下，排架结构顶部位移为9.7 mm，在顺水流方向纵向风荷载作用下，排架结构顶部位移为：39.4 mm。

2.2 方案比选

对排架以上4个方案进行经济技术比较，可以看出：

①各种加固方法均能降低混凝土立柱和横梁的应力，满足结构设计要求；②对横梁和立柱同时进行加大截面加固时，对减小垂直水流方向的排架位移贡献明显；③采用外包钢+预应力桁架法加固时，垂直水流方向的刚度提高幅度最大；④单纯对立柱进行加大截面加固时，顺水流方向的刚度提高幅度最大；⑤在改变结构体系的方案中，对腹杆施加预应力对混凝土结构承载能力影响不大。

结果见表2。通过技术经济比较，本次推荐方案四作为排架加固改造方案，加固设计示意图见图11。

图9 采用方案四加固后排架钢筋及钢结构应力图

图10 采用方案四加固后排架顶部位移图

3 施工工艺

排架柱外包角钢，以钢箍缀板焊接固定，角钢与混凝土柱构件间满注结构胶，角柱增加纵向中条板两道。混凝土柱根部采用增大加固法，锚植钢筋，浇筑新混凝土，扩大承台，提高构件的抗弯、抗剪承载力，并增加了构件的刚度[8～9]。

表2 排架加固改造方案技术经济特性比较表

图1 1渡槽排架加固设计示意图

湿式外包钢加固法施工时加固结合面和钢板贴合面处理是加固施工的关键过程。

3.1 湿式外包钢构件表面处理

（1）凿去结合面风化酥松、碳化锈裂层以及油污层，直至完全露出坚实的基层。

（2）将结合面打磨平整，四角，磨出小圆角，用钢丝刷刷毛，用压缩空气吹净。

（3）角钢、扁钢及箍板的结合面应除锈、打磨并用丙酮或二甲苯擦净。

3.2 环氧树脂化学灌浆湿法外包钢工艺

（1）在混凝土的结合面刷一薄层环氧树脂浆。

（2）用卡具将角钢及扁钢箍卡贴于构件预定结合面，经校准后彼此焊接，扁钢箍应紧贴混凝土表面，并与角钢平焊连接，否则应用环氧树脂砂浆填满其缝隙。

（3）用环氧胶泥将型钢周围封闭，在有利于灌浆的适当位置钻孔，粘贴灌浆嘴（一般在较低处），并留出排气孔，间距为（2～3）m，待灌浆嘴粘牢后，通气试压。

（4）以相应的压力将环氧树脂浆从灌浆嘴压入，当排气孔出现浆液后，停止加压，以环氧胶泥封堵排气孔，再以较低压力维持十分钟以上方可停止灌浆。

（5）灌浆后不应再对型钢骨架进行捶击、移动和焊接。

3.3 外包钢加固的防护

外包钢加固混凝土构件时，型钢表面必须进行防护处理。可以在外包钢的表面点焊一层钢丝，然后用1∶3水泥砂浆抹25 mm厚的保护层，亦可采用聚合物砂浆或其他饰面材料加以保护。

4 结语

石洞江渡槽工程于1969年春竣工，灌区于1970年投入运行，运行年限达40多年，槽身和排架存在诸多病险问题。渡槽下游干渠长，下游辖灌面积大。一旦出现险情，将造成巨大损失，且工程恢复工期长。因此，对该渡槽尽快进行除险加固极为重要。

通过对渡槽排架的现场检测和模拟分析计算，探明了排架存在的问题，针对这些问题，比选了4种排架加固方案，以排架混凝土结构应力、钢筋及钢结构应力、排架顶部位移等参数为依据，选择方案四：外包钢+预应力桁架法作为石洞江渡槽排架加固设计方案。

采用外包钢+预应力桁架法加固，经分析计算，在最不利荷载作用下，排架混凝土最大压应力为：6.3 MPa；最大钢筋及钢结构应力为65.2 MPa，均小于许用应力。在垂直水流方向风荷载作用下，排架结构顶部位移为9.7 mm，在顺水流方向纵向风荷载作用下，排架结构顶部位移为：39.4 mm，设计上基本达到了预期的效果。

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2016-10-30）

喻成（1986-），男，湖南常德人，硕士研究生，工程师，主要从事水利工程设计与大坝安全管理研究工作，手机：15111060608。