高桩梁板式码头的混凝土结构加固新技术

毛 利，王京伟，贾存威

宁波市交通规划设计研究院有限公司

0 引 言

高桩梁板式码头是我国使用最广泛的码头之一，随着经济全球化时代的到来，港口业务和水路运输不断发展，海岸附近的码头地区也就成为人员往来最为密集的区域。为了保证码头靠泊处的工程安全，保证人民群众的财产和生命，需要寻找加固码头结构的方法，使码头可以承受更大的压力，不会轻易出现裂纹甚至损坏。

文献[1]使用防屈曲支撑的方法，加固了多层混凝土框架结构，并通过有限元分析的方法，在遇到压力时，验证该方法应用下的混凝土承受能力。结果表明该方法可以明显提高混凝土结构的硬度和刚度，但是耗能较大，维修费用较高。文献[2]使用高延性混凝土，即HDC混凝土加强了混凝土梁板的承受能力，使该类混凝土在受到变形压力时可以支撑更长的时间，大规模地延长了混凝土结构的寿命，提高了混凝土梁柱的应力，可以直接求出高延性混凝土的承载力。因此，可以在建筑施工时，提供更合理的参考意见，但是该方法却没有大范围提高混凝土结构的承载力。文献[3]提出了一种钢板和混凝土相结合的混凝土结构加固方法，即螺柱和纤维混凝土均在焊接面上连接成抗剪连接件，然后利用化学界面的抗裂性和耐久性作为环氧树脂的耐火材料，以获得高桩梁板码头更高的承载能力，并具有贯穿缝装配屏蔽，混凝土可以获得较高弹塑性的混凝土结构，但其极限承载力状态并没有得到很大改善。

本文综合以上文献，对高桩梁板式码头的混凝土结构进行了新的加固设计。

1 高桩梁板式码头的混凝土结构加固新技术

1.1 建立钢筋-混凝土材料本构模型

在设计混凝土结构加固的新技术之前，需要首先建立钢筋-混凝土本构模型，以确定所有加固材料的承载能力，此时的应变模型如图1所示。

图1 钢筋-混凝土应力本构模型

如上图所示，可以将钢筋-混凝土的应力变化分为三个阶段，分别是O-A阶段、A-B阶段、B-阶段。在这三个阶段中，O-A阶段表示钢筋-混凝土的材料可以承受某个区域内的压力，而A-B阶段则表示无法承受压力导致材料开始损坏，B-阶段则是材料完全损坏的阶段[4]。这三个阶段的表达式为：

式中：σO-A-B表示在O-A-B这个钢筋-混凝土本构模型中所能承受的应力；θA表示本构模型中A点的应力节点；θB表示本构模型中B点的应力节点；σx表示某材料的应力；ηx表示钢筋自身的应力承载值；Fg表示混凝土的应力值；Unm表示钢筋-混凝土的弹性模量；ft表示材料的屈服强度[5,6]。

通过该公式，可以得到钢筋-混凝土材料的应力。

1.2 混凝土配筋率优化

在得到了混凝土结构的最大承载力之后，还需要设置钢筋的配筋率，这是影响加固混凝土结构承载能力的重要指标[7,8]。通常情况下，配筋率越高，表示某混凝土结构的抗损坏承载力越大；配筋率过小时，会直接导致混凝土易脆；但是配筋率超过某个限值后，就会导致整个混凝土变软。因此，需要详细计算混凝土的配筋率，并得到最优的比例。

式中：Φpjl表示钢筋在不屈服的条件下，被脆性变化压碎的比例值；Ai表示竖直方向混凝土的受力面积；bk和hk则分别表示混凝土结构的横截面宽度及高度[9]。

除此以外，混凝土钢筋还需要保证本身纤维体积的参量系数，计算公式为：

式中：μug表示混凝土钢筋条中的纤维体积参量系数百分比；gfh表示峰值点的割线模量与切线模量比值；λop表示纤维体积，通常在0.02～0.04之间[10,11]。

此时的混凝土配件中配筋率就是该材料本构参数下的最优解，据此得到的混凝土也能够更加坚固。

1.3 计算高桩梁板式码头混凝土截面加固参数

在高桩梁板式码头中，需要以低成本、高强度、施工简单方便作为加固设计的核心，即通过使用高强度的轴心应力构件的方式，提高正截面的承载力，公式为：

式中：Fzn表示高桩梁板式码头的混凝土轴向压力承载力；gui表示混凝土与混凝土相互加固的影响系数；gua表示混凝土与钢筋间距过大时的影响系数；δopk表示钢筋应力达到峰值时的强度，通常按照gui的影响系数计算；δhtt则表示混凝土应力达到峰值的强度，通常以gua的影响系数计算[12]。

计算高桩梁板式码头在混凝土斜截面中的承载力参数：

式中：μhr表示码头中混凝土斜截面的承载力参数；ρtg表示钢筋的配箍率；ρyh表示混凝土在斜截面中的配箍率；fpa和fbt则分别表示钢筋和混凝土在斜截面中的钢带应变；hu表示码头的高度；—ωi表示混凝土的软化系数[13]。

在加固斜截面的受力构件时，将受力节点作为约束带，得到高桩梁板式码头斜截面承载力的计算公式：

式中：Vua表示钢筋对码头区混凝土的约束影响力；φi表示当封堵切角大于180°时，斜压切角的余切值；Ni表示峰值荷载的应变力；ft表示钢筋强带的面积。

此时便可以计算高桩梁板式码头中正截面与斜截面的受力构件承载应力：

式中：Fj表示两个截面间的构件应力；Pk表示节点受到的压力；ξu表示混凝土与钢筋共同抗压时的软化系数；hf表示码头混凝土的受压区与抵抗压力区域的高度差[14]。

通过此类计算公式，可以得到高桩梁板式码头混凝土截面加固时所需的承载力，在后续的结构加固过程中，需要满足：

式中：Fs表示码头区域实际受到的压力。若Fj没有大于Fs，则混凝土会出现裂缝，甚至直接崩裂，因此公式（5）是所有混凝土结构加固的前提。

2 试验与分析

设计了一种面向高桩梁板式码头的混凝土结构加固新技术，为了检测该混凝土结构的坚固程度，进行试验与分析。

2.1 混凝土试件设计

为了测试混凝土试件的坚固程度，首先制作一个由该技术生产的试件，在本试验中，需要制作4根该类型的混凝土试件。所有混凝土试件均需要依据图纸制作，试件的设计尺寸如图2所示。

图2 混凝土试件尺寸

混凝土试件的总长度为1000mm，高280mm，宽360mm，保护层的厚度约为20mm。在制作混凝土试件的过程中，需要使用试验室中的钢制模版，作为构件模板。在浇筑混凝土前，将钢制模版内部全部清理一遍，防止混凝土与模板相勾连[15]。将钢模置入脱模机中，并启动振动台，浇筑混凝土试件。在配置强度为C20的混凝土的过程中，保证强度在95%以上，遵循下列不等式：

式中：kμ表示试验中C20强度的混凝土配置的强度；kp表示上述混凝土强度标度；δm表示混凝度标准差。

在浇筑过程中，需要在每个混凝土试件中预留150mm的空隙，防止混凝土膨胀。在试件制作成功后，需要等待两天，待混凝土试件完全成型后再拆下保护膜，然后在湿润的环境中保水养护30天。

2.2 混凝土试件预加载及加固

在加固混凝土试件前，对其进行加载，给混凝土试件造成一定的损伤。试验使用液压常柱伺服机，加载速度为0.08kN/s，如图3所示。

图3 混凝土试件预加载示意图

如上图所示，对混凝土试件进行预加载，然后在试件周边增加箍筋，以加固损伤部位，然后再重新浇筑加固，加固方法如图4所示。

图4 加固方法示意图

如上图所示，有四种加固方法。其中，加固方法A需要在混凝土试件的上下两端分别加固10mm混凝土，加固方法B是在试件四周分别加固10mm混凝土，加固方法C则是在试件四周分别加固20mm混凝土，方法D则是在周边加固30mm。将加固后的混凝土试件分别浇筑、养护以及振实后，就可以测试混凝土的强度，并再次对混凝土试件施加压力。

2.3 混凝土加固后荷载挠度测试

在混凝土试件的中部及两侧分别安装一个TDS-303应变采集仪，作为测量荷载挠度的仪器，将中部仪器所在部位作为测点1，将左边的仪器所在部位作为测点2，将右边的仪器所在部位作为测点3。通过加载加固后的混凝土试件，然后观察试验现象，进而判断四种加载方法的优劣，得到如图5所示的混凝土裂缝荷载挠度示意图。

图5 裂缝荷载挠度测试结果

根据裂缝荷载挠度测试结果可知，荷载-挠度曲线在到达一定值之前，几乎为一条曲线，此时的外力加载没有对混凝土试件造成破坏，但是其荷载却在不断增加。到了一定值以后，混凝土试件开始出现裂缝，荷载值出现了一个弧度，导致混凝土试件的挠度发生了变化，此时的荷载还是上升的趋势。随着挠度的继续增强，荷载达到最大值，在拐点处开始降低。四种不同的加固方法会导致荷载值出现较大的变化。其中，加固方法A外接加固混凝土厚度最小，该方法下的两个挠度的拐点分别为6mm和16mm，混凝土加固试件的荷载最大值为60kN；在加固方法B中，两个挠度拐点分别为8mm和17mm，荷载最大值为76kN；在加固方法C中，两个拐点为10mm和18mm，荷载最大值则为92kN；加固方法D的两个挠度拐点分别为11mm和20mm，荷载最大值则为110kN。由此可见，在混凝土试件外部加固的混凝土厚度越大，则得到的混凝土加固结构就越坚固，所能承受的荷载力越大。

3 结束语

本文通过建立钢筋-混凝土的本构模型，以及计算混凝土的配筋率，得到了一个高桩梁板式码头的混凝土结构加固新技术。依据该混凝土加固技术，浇筑的混凝土外部构件越厚，则混凝土本身的加固结构就越坚固，实现了结构加固效果的大幅度优化。