基于植筋技術(shù)的碼頭新舊結(jié)構(gòu)加固試驗?zāi)M

胡少偉

(1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029;2．水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著我國水運需求的不斷發(fā)展，港口工程的升級改擴建成為急需開展的工作． 為最大程度利用原碼頭結(jié)構(gòu)功能，新舊碼頭結(jié)構(gòu)如何較好聯(lián)合承載是這一工作中的難點． 國內(nèi)外結(jié)構(gòu)擴建多采用兩種形式:一種是新舊兩種結(jié)構(gòu)上部不連接，采用在新舊結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置縱向伸縮縫等構(gòu)造措施，多用于剛性結(jié)構(gòu)面;另一種是新舊兩種結(jié)構(gòu)上部剛性連接，這種連接形式在國外已經(jīng)比較成熟，適合碼頭各種主體結(jié)構(gòu)的連接．隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，植筋技術(shù)在加固改造工程中普遍開始應(yīng)用． 植筋是在已有的混凝上結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上成孔，然后用植筋膠體將新增鋼筋與原混凝上黏結(jié)牢固．

近年來，國內(nèi)開展了大量關(guān)于植筋驗證型方面的試驗，以直接拉拔試驗為主，主要研究了植筋抗拉拔承載力［1－2］、植筋破壞機理和破壞形式［3］、植筋技術(shù)在工程中的應(yīng)用［4］等．同濟大學(xué)張建榮等［5］研究了植筋錨固在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)的受力性能，提出黏結(jié)錨固性能受基材的應(yīng)力狀態(tài)及植筋混凝土保護(hù)層厚度的影響．清華大學(xué)閆鋒等［6］對植筋混凝土柱延性和耗能能力進(jìn)行了試驗研究，提出結(jié)構(gòu)膠植筋混凝土柱在反復(fù)荷載作用下具有良好的延性和耗能能力．蔣程等［7］分析了配筋率、截面尺寸、混凝土強度等因素對植筋連接抗剪性能的影響． 周新剛等［8］開展環(huán)氧砂漿植筋錨固技術(shù)試驗研究，提出植筋錨固構(gòu)件具有良好的延性． 國外對植筋黏結(jié)錨固性能的研究成果也比較豐富，主要為植筋黏結(jié)機理、植筋黏結(jié)滑移特性、植筋的破壞形態(tài)和植筋破壞的極限承載力，并得出了一些設(shè)計計算公式［9－11］． 目前在采用植筋連接的新舊結(jié)構(gòu)加固中，植筋深度和錨固深度對加固效果的影響還需要做進(jìn)一步的試驗研究，才能為實際加固工程提供更準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)而對新結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行正確地評估．

針對新舊結(jié)構(gòu)如何聯(lián)合承載這一工程問題，筆者以浙江沿海某板樁碼頭升級改造工程為例，通過實體結(jié)構(gòu)檢測和承載數(shù)值仿真兩種技術(shù)方法，分析加固改造效果，以評估碼頭結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀．

1 工程背景

溫州某漁港由于漁業(yè)發(fā)展迅速，漁船數(shù)量急劇增加，內(nèi)港駁岸不堪負(fù)重，加上2005 年至2007 年臺風(fēng)，原碼頭Ⅱ、Ⅲ結(jié)構(gòu)段出現(xiàn)了險情． 根據(jù)兩段碼頭的破壞情況，在原碼頭前2 m 采用直徑800 mm 的鉆孔灌注樁，平均樁長40 m，間距5 m，在－0．5 m處用1 200 mm ×1 200 mm 的橫梁連接，在原結(jié)構(gòu)+1．77 m承臺前緣鑿毛，植入鋼筋澆注新承臺板［12－14］．根據(jù)加固后結(jié)構(gòu)的外觀調(diào)查與現(xiàn)場實際檢測結(jié)果，碼頭結(jié)構(gòu)基本完好，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫或構(gòu)件破損現(xiàn)象．

2 碼頭結(jié)構(gòu)加固后評價

2．1 分析模型

采用ABAQUS 三維有限元軟件建立了Ⅲ段碼頭結(jié)構(gòu)的模型，開展了結(jié)構(gòu)的三維靜力分析，以評估碼頭結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀． 用空單元來描述被剝落或開挖的材料，其應(yīng)力值為0，這些單元上沒有質(zhì)量力(重力)的作用． 在模擬過程中，空單元可以在任何階段轉(zhuǎn)化成具有不同材料特性的單元，例如開挖后回填．本模型中用該單元來模擬土體的開挖過程．摩爾－庫侖模型是最早提出的適用于巖土類材料的彈塑性本構(gòu)模型之一，這里選用該模型對土體進(jìn)行彈塑性分析．該模型共計7 835 個單元，6 456 個節(jié)點;X 軸方向長10．6 m，Z 軸方向長54．4 m，Y 軸方向長35．5 m，如圖2 所示．

圖2 Ⅲ段碼頭模型

2．2 土層參數(shù)

碼頭附近各土層主要力學(xué)參數(shù)見表1．

表1 模型各土層力學(xué)參數(shù)

2．3 植筋參數(shù)

種植鋼筋的軸向錨固拉力性能與所鉆孔徑、鋼筋埋入深度及所植入基材的設(shè)計強度等級有關(guān)． 此次試驗，共澆筑了3 個基材混凝土試件，尺寸為600 mm×600 mm×600 mm，如圖3 所示．設(shè)計混凝土強度等級為C30，鋼筋直徑為16 mm．結(jié)構(gòu)膠的配比(環(huán)氧∶固化劑∶干燥細(xì)砂)為1．00∶0．25∶2．00．

根據(jù)種植鋼筋的直徑進(jìn)行鉆孔，孔徑22 mm，并清除孔內(nèi)灰塵，使其表面潔凈，增加黏接強度． 植筋前清除鋼筋表面銹蝕物，確保鋼筋表面光潔，豎直鋼筋與水平鋼筋的試驗值分別見表2 和表3．

圖3 試驗試件

表2 植筋后軸向錨固拉力值(豎直鋼筋)

表3 植筋后軸向錨固拉力值(水平鋼筋)

2．4 結(jié)果分析

該模型計算碼頭的沉降值比實際觀測值要大．其主要原因是碼頭上部設(shè)計有擋浪墻，致使碼頭上部較窄(只有5．5 m)，車輛行駛不便，因此，實際中承受的荷載較小．偏于安全考慮，分析時仍按碼頭承受較大的荷載(20 kN/m2)來計算．碼頭結(jié)構(gòu)在外載作用下，新舊平臺結(jié)合處的內(nèi)力見表4．在新舊承臺結(jié)合處的應(yīng)力值，無論是剪應(yīng)力還是正應(yīng)力，都很小．

表4 新舊結(jié)構(gòu)結(jié)合面處的應(yīng)力104 Pa

根據(jù)碼頭新舊承臺結(jié)合處的植筋方式，鋼筋間距20 cm，共上、下兩排，則在10 m 的寬度范圍內(nèi)共植筋102 根．由于試驗過程中與實際施工情況有所差異，因此選擇拉拔試驗中的最小拉拔力作為分析依據(jù)，以確保試驗安全． 根據(jù)拉拔試驗可知，其能承受的外力為

F=102 ×31 =3 162(kN)，

作用在承臺上的應(yīng)力可折換為

3 162 ÷10 ÷0．6 =527(kPa)=

52．7 ×104(Pa)＞24．36 ×104(Pa)，

因此，承臺結(jié)構(gòu)是安全的．Ⅲ段碼頭承臺結(jié)合面處法向應(yīng)力和剪應(yīng)力分別如圖5 和圖6 所示．

圖5 Ⅲ段碼頭承臺結(jié)合面法向應(yīng)力(單位:Pa)

圖6 Ⅲ段碼頭承臺結(jié)合面剪應(yīng)力(單位:Pa)

2．5 后續(xù)驗證

該碼頭工程加固后，在附近居民住宅處選擇基準(zhǔn)點，在Ⅲ段碼頭布置17 個測點，開展為期半年的沉降觀測．根據(jù)兩段碼頭的沉降值，可計算得到其月最大沉降值分別為3．84 mm 和3．07 mm．

《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ/T 8—97)規(guī)定:沉降值不大于2．828 倍的測量允許誤差，即可認(rèn)為沉降穩(wěn)定．對于3 級水準(zhǔn)測量，其允許誤差為±3 mm，沉降不大于8．5 mm．該沉降值小于5 mm，因此可認(rèn)為碼頭結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定．

3 結(jié) 語

1)根據(jù)試驗獲取計算參數(shù)，對某板樁碼頭Ⅲ段結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析．經(jīng)計算，新舊承臺連接處的應(yīng)力較小，計算結(jié)果表明其抗拔力能夠抵抗結(jié)合面處的拉力，新舊結(jié)構(gòu)連接部位(承臺結(jié)構(gòu))是安全的．

2)采用植筋連接增大截面的加固方式對構(gòu)件的損傷程度較小，且操作簡單，施工速度快，施工質(zhì)量更能得到保證，具有更好的經(jīng)濟性．此方法在今后的混凝土結(jié)構(gòu)改造加固中將可以廣泛應(yīng)用［15－17］．

3)植筋膠的固化時間與溫度有很大的關(guān)系． 結(jié)構(gòu)膠在潮濕的環(huán)境下固化，固化后與混凝土的黏結(jié)強度低．由于試驗時的濕度和溫度與施工現(xiàn)場差距很大，因此試驗結(jié)果和實際結(jié)果肯定存在差異，可取試驗測得的最小值進(jìn)行分析計算．

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