高樁梁板式碼頭的混凝土結構加固新技術

毛 利，王京偉，賈存威

寧波市交通規劃設計研究院有限公司

0 引 言

高樁梁板式碼頭是我國使用最廣泛的碼頭之一，隨著經濟全球化時代的到來，港口業務和水路運輸不斷發展，海岸附近的碼頭地區也就成為人員往來最為密集的區域。為了保證碼頭靠泊處的工程安全，保證人民群眾的財產和生命，需要尋找加固碼頭結構的方法，使碼頭可以承受更大的壓力，不會輕易出現裂紋甚至損壞。

文獻[1]使用防屈曲支撐的方法，加固了多層混凝土框架結構，并通過有限元分析的方法，在遇到壓力時，驗證該方法應用下的混凝土承受能力。結果表明該方法可以明顯提高混凝土結構的硬度和剛度，但是耗能較大，維修費用較高。文獻[2]使用高延性混凝土，即HDC混凝土加強了混凝土梁板的承受能力，使該類混凝土在受到變形壓力時可以支撐更長的時間，大規模地延長了混凝土結構的壽命，提高了混凝土梁柱的應力，可以直接求出高延性混凝土的承載力。因此，可以在建筑施工時，提供更合理的參考意見，但是該方法卻沒有大范圍提高混凝土結構的承載力。文獻[3]提出了一種鋼板和混凝土相結合的混凝土結構加固方法，即螺柱和纖維混凝土均在焊接面上連接成抗剪連接件，然后利用化學界面的抗裂性和耐久性作為環氧樹脂的耐火材料，以獲得高樁梁板碼頭更高的承載能力，并具有貫穿縫裝配屏蔽，混凝土可以獲得較高彈塑性的混凝土結構，但其極限承載力狀態并沒有得到很大改善。

本文綜合以上文獻，對高樁梁板式碼頭的混凝土結構進行了新的加固設計。

1 高樁梁板式碼頭的混凝土結構加固新技術

1.1 建立鋼筋-混凝土材料本構模型

在設計混凝土結構加固的新技術之前，需要首先建立鋼筋-混凝土本構模型，以確定所有加固材料的承載能力，此時的應變模型如圖1所示。

圖1 鋼筋-混凝土應力本構模型

如上圖所示，可以將鋼筋-混凝土的應力變化分為三個階段，分別是O-A階段、A-B階段、B-階段。在這三個階段中，O-A階段表示鋼筋-混凝土的材料可以承受某個區域內的壓力，而A-B階段則表示無法承受壓力導致材料開始損壞，B-階段則是材料完全損壞的階段[4]。這三個階段的表達式為：

式中：σO-A-B表示在O-A-B這個鋼筋-混凝土本構模型中所能承受的應力；θA表示本構模型中A點的應力節點；θB表示本構模型中B點的應力節點；σx表示某材料的應力；ηx表示鋼筋自身的應力承載值；Fg表示混凝土的應力值；Unm表示鋼筋-混凝土的彈性模量；ft表示材料的屈服強度[5,6]。

通過該公式，可以得到鋼筋-混凝土材料的應力。

1.2 混凝土配筋率優化

在得到了混凝土結構的最大承載力之后，還需要設置鋼筋的配筋率，這是影響加固混凝土結構承載能力的重要指標[7,8]。通常情況下，配筋率越高，表示某混凝土結構的抗損壞承載力越大；配筋率過小時，會直接導致混凝土易脆；但是配筋率超過某個限值后，就會導致整個混凝土變軟。因此，需要詳細計算混凝土的配筋率，并得到最優的比例。

式中：Φpjl表示鋼筋在不屈服的條件下，被脆性變化壓碎的比例值；Ai表示豎直方向混凝土的受力面積；bk和hk則分別表示混凝土結構的橫截面寬度及高度[9]。

除此以外，混凝土鋼筋還需要保證本身纖維體積的參量系數，計算公式為：

式中：μug表示混凝土鋼筋條中的纖維體積參量系數百分比；gfh表示峰值點的割線模量與切線模量比值；λop表示纖維體積，通常在0.02～0.04之間[10,11]。

此時的混凝土配件中配筋率就是該材料本構參數下的最優解，據此得到的混凝土也能夠更加堅固。

1.3 計算高樁梁板式碼頭混凝土截面加固參數

在高樁梁板式碼頭中，需要以低成本、高強度、施工簡單方便作為加固設計的核心，即通過使用高強度的軸心應力構件的方式，提高正截面的承載力，公式為：

式中：Fzn表示高樁梁板式碼頭的混凝土軸向壓力承載力；gui表示混凝土與混凝土相互加固的影響系數；gua表示混凝土與鋼筋間距過大時的影響系數；δopk表示鋼筋應力達到峰值時的強度，通常按照gui的影響系數計算；δhtt則表示混凝土應力達到峰值的強度，通常以gua的影響系數計算[12]。

計算高樁梁板式碼頭在混凝土斜截面中的承載力參數：

式中：μhr表示碼頭中混凝土斜截面的承載力參數；ρtg表示鋼筋的配箍率；ρyh表示混凝土在斜截面中的配箍率；fpa和fbt則分別表示鋼筋和混凝土在斜截面中的鋼帶應變；hu表示碼頭的高度；—ωi表示混凝土的軟化系數[13]。

在加固斜截面的受力構件時，將受力節點作為約束帶，得到高樁梁板式碼頭斜截面承載力的計算公式：

式中：Vua表示鋼筋對碼頭區混凝土的約束影響力；φi表示當封堵切角大于180°時，斜壓切角的余切值；Ni表示峰值荷載的應變力；ft表示鋼筋強帶的面積。

此時便可以計算高樁梁板式碼頭中正截面與斜截面的受力構件承載應力：

式中：Fj表示兩個截面間的構件應力；Pk表示節點受到的壓力；ξu表示混凝土與鋼筋共同抗壓時的軟化系數；hf表示碼頭混凝土的受壓區與抵抗壓力區域的高度差[14]。

通過此類計算公式，可以得到高樁梁板式碼頭混凝土截面加固時所需的承載力，在后續的結構加固過程中，需要滿足：

式中：Fs表示碼頭區域實際受到的壓力。若Fj沒有大于Fs，則混凝土會出現裂縫，甚至直接崩裂，因此公式（5）是所有混凝土結構加固的前提。

2 試驗與分析

設計了一種面向高樁梁板式碼頭的混凝土結構加固新技術，為了檢測該混凝土結構的堅固程度，進行試驗與分析。

2.1 混凝土試件設計

為了測試混凝土試件的堅固程度，首先制作一個由該技術生產的試件，在本試驗中，需要制作4根該類型的混凝土試件。所有混凝土試件均需要依據圖紙制作，試件的設計尺寸如圖2所示。

圖2 混凝土試件尺寸

混凝土試件的總長度為1000mm，高280mm，寬360mm，保護層的厚度約為20mm。在制作混凝土試件的過程中，需要使用試驗室中的鋼制模版，作為構件模板。在澆筑混凝土前，將鋼制模版內部全部清理一遍，防止混凝土與模板相勾連[15]。將鋼模置入脫模機中，并啟動振動臺，澆筑混凝土試件。在配置強度為C20的混凝土的過程中，保證強度在95%以上，遵循下列不等式：

式中：kμ表示試驗中C20強度的混凝土配置的強度；kp表示上述混凝土強度標度；δm表示混凝度標準差。

在澆筑過程中，需要在每個混凝土試件中預留150mm的空隙，防止混凝土膨脹。在試件制作成功后，需要等待兩天，待混凝土試件完全成型后再拆下保護膜，然后在濕潤的環境中保水養護30天。

2.2 混凝土試件預加載及加固

在加固混凝土試件前，對其進行加載，給混凝土試件造成一定的損傷。試驗使用液壓常柱伺服機，加載速度為0.08kN/s，如圖3所示。

圖3 混凝土試件預加載示意圖

如上圖所示，對混凝土試件進行預加載，然后在試件周邊增加箍筋，以加固損傷部位，然后再重新澆筑加固，加固方法如圖4所示。

圖4 加固方法示意圖

如上圖所示，有四種加固方法。其中，加固方法A需要在混凝土試件的上下兩端分別加固10mm混凝土，加固方法B是在試件四周分別加固10mm混凝土，加固方法C則是在試件四周分別加固20mm混凝土，方法D則是在周邊加固30mm。將加固后的混凝土試件分別澆筑、養護以及振實后，就可以測試混凝土的強度，并再次對混凝土試件施加壓力。

2.3 混凝土加固后荷載撓度測試

在混凝土試件的中部及兩側分別安裝一個TDS-303應變采集儀，作為測量荷載撓度的儀器，將中部儀器所在部位作為測點1，將左邊的儀器所在部位作為測點2，將右邊的儀器所在部位作為測點3。通過加載加固后的混凝土試件，然后觀察試驗現象，進而判斷四種加載方法的優劣，得到如圖5所示的混凝土裂縫荷載撓度示意圖。

圖5 裂縫荷載撓度測試結果

根據裂縫荷載撓度測試結果可知，荷載-撓度曲線在到達一定值之前，幾乎為一條曲線，此時的外力加載沒有對混凝土試件造成破壞，但是其荷載卻在不斷增加。到了一定值以后，混凝土試件開始出現裂縫，荷載值出現了一個弧度，導致混凝土試件的撓度發生了變化，此時的荷載還是上升的趨勢。隨著撓度的繼續增強，荷載達到最大值，在拐點處開始降低。四種不同的加固方法會導致荷載值出現較大的變化。其中，加固方法A外接加固混凝土厚度最小，該方法下的兩個撓度的拐點分別為6mm和16mm，混凝土加固試件的荷載最大值為60kN；在加固方法B中，兩個撓度拐點分別為8mm和17mm，荷載最大值為76kN；在加固方法C中，兩個拐點為10mm和18mm，荷載最大值則為92kN；加固方法D的兩個撓度拐點分別為11mm和20mm，荷載最大值則為110kN。由此可見，在混凝土試件外部加固的混凝土厚度越大，則得到的混凝土加固結構就越堅固，所能承受的荷載力越大。

3 結束語

本文通過建立鋼筋-混凝土的本構模型，以及計算混凝土的配筋率，得到了一個高樁梁板式碼頭的混凝土結構加固新技術。依據該混凝土加固技術，澆筑的混凝土外部構件越厚，則混凝土本身的加固結構就越堅固，實現了結構加固效果的大幅度優化。