某水閘工程植筋技術的應用

馬 龍,牛芙蓉,趙朋飛

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

1 引言

植筋技術是在需連接的舊混凝土構件上經過鉆孔、清孔、注入植筋粘結劑,再插入所需鋼筋,然后澆筑新混凝土,從而完成新舊鋼筋混凝土的有效連接,達到共同作用、整體受力的目的。植筋技術在建筑物結構允許的環境下,能夠起到便捷、安全和避免老混凝土受到破壞等作用,同時也能夠有效地發揮抗彎、抗拉能力[1]。植筋技術布置靈活,適用范圍廣,目前在房建工程中應用較多。

陜西省某水庫水閘,水閘主體已經施工完畢。因工況改變,下游河道最高水位超過閘門高約20 cm,需新設擋水胸墻預防下游洪水倒灌。現決定采用植筋技術,完成新澆胸墻混凝土和水閘邊墻的連接。

胸墻為順利完成澆筑及植筋需要考慮確定以下幾個問題：① 胸墻的體型問題,確定胸墻的高寬；② 胸墻的受力問題,確定胸墻的配筋； ③ 植筋深度問題,確定植筋深度；④施工方法問題。明確注意事項；④ 胸墻與邊墻連接可靠性問題,提出增強可靠性方案。本文以陜西省某水庫水閘為例,就上述問題展開探討分析。

2 胸墻體型

胸墻視為單跨梁,跨度4.5 m（同水閘凈寬4.5 m）。為了防止下游河水倒灌入上游渠道,胸墻梁須伸入水閘閘門以下一定深度,考慮到閘門水封預壓量一般為3 mm～5 mm,本次設計梁高取1.9 m。簡支梁的高寬比一般為2～3.5[2],梁寬取值范圍為0.54 m～0.95 m,本次取0.6 m,梁采用與水閘主體一致的C25 砼,具體見圖1、圖2。

圖2 胸墻橫剖面

3 胸墻受力分析

對胸墻而言,下游最大水深只有20 cm,水壓力較小；胸墻跨中截面彎矩和支座處（胸墻和水閘邊墻結合處）剪力相對較大,為控制因素。本次計算忽略下游水壓力,只考慮自重均布荷載。

胸墻受力模型按不利原則考慮為簡支梁,頂部受壓,底部受拉。同時跨度/梁高=2.37＞2,為深受彎構件,水閘及胸墻為3 級建筑物,基本組合安全系數K=1.2。采用C25 混凝土, fc=11.9 N/mm2；保護層厚度取c=50 mm,梁高h=1900 mm,寬b=600 mm,考慮為底部三層配筋,h0=1600 mm；鋼筋采用HRB400, fy=300 N/mm2。根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）計算胸墻跨中彎矩M 支座和鋼筋面積AS,進行鋼筋直徑選擇,同時校核支座處截面受剪承載力。

通過計算得出：跨中彎矩M=75.75（kN·m）,按照跨中彎矩求得受力鋼筋面積AS=172.75 mm2,按照最小配筋率計算得AS=1920 mm2,本次縱向受力鋼筋取7 根φ20（面積為2199 mm2）即可滿足設計要求；支座處剪力設計值為67.33 kN,砼受剪承載力Vc=1426 kN,受剪承載力滿足要求；梁高大于450 mm,沿梁高均勻布置構造鋼筋,構造鋼筋和箍筋為簡便計, 同時取三級φ16@200mm, 拉筋采用φ10@400 mm×400 mm 鋼筋,植筋在閘墩兩側對稱布置。

4 植筋深度計算

規范明確規定[3]：植筋的錨固深度必須經設計計算確定,不可直接采用植筋粘接劑廠家手冊的推薦值。應根據《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）進行植筋深度計算。植筋深度計算須依次確定基本錨固深度、深度修正系數、位移延性要求的修正系數和構造要求。

4.1 基本錨固深度

結合實際情況,防止混凝土劈裂引用的計算系數αspt=1.05,植筋用膠黏劑的黏結抗剪強度設計值fbd取2.7 N/mm2,鋼筋采用HRB400, fy=300 N/mm2（軸心受拉構件）,故基本錨固深度：ls=0.2×1.05×20×300/2.7=467 mm。

4.2 錨固深度修整系數

胸墻按非懸挑的重要構件考慮,考慮結構構件受力狀態對承載力影響的系數ψbr=1.15,混凝土孔壁潮濕影響系數ψw=1.1,使用環境的溫度t 影響系數ψt=1.0。故：錨固深度修正系數ψN=1.15×1.1×1.0=1.265。

4.3 位移延性要求的修正系數

本工程地區屬于8 度Ⅱ類地區,故考慮植筋位移延性要求的修正系數ψae=1.25）。

4.4 計算長度

ld植筋錨固深度設計值: ld（20 mm）≥ψNψaels=1.265×1.25×467 ≈740 mm

4.5 構造要求

當按構造要求植筋時,其最小錨固長度lmin應符合下列構造要求：

1）受拉鋼筋錨固：max（0.3 ls；10 d；100 mm）,d 為鋼筋直徑,mm。

2）受壓鋼筋錨固：max（0.6 ls；10 d；100 mm）,ls為基本錨固深度,mm。

3）對于懸挑結構,應乘1.5 的系數。

胸墻結構屬于非懸挑,頂部受壓,底部受拉,構造要求最小錨固長度為：0.6 ls=0.6×467=280 mm。

4.6 植筋深度

植筋錨固深度設計值：ld為740 mm,同時按照構造要求,最小植筋長度lmin為280 mm。植筋深度取構造要求和計算值兩者之中的大值。因此本次植筋深度可取740 mm。

5 施工

應選擇專業施工公司進行施工,確保施工過程規范、有序。正確使用植筋技術,才能充分發揮所植鋼筋的作用,從而保證胸墻的安全性。植筋技術一般工藝流程主要包括:定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋和后期養護。植筋的施工與驗收應符合《混凝土后錨固技術規程》。

值得注意的是,胸墻施工時,左右側植筋應分別進行。一側所有植筋完成固化養護后,再進行另一側鋼筋的植入,當兩側鋼筋均完成養護后,方可進行鋼筋的焊接。采用單面焊接,接頭長度為10 d。鋼筋接頭應相互錯開,鋼筋連接區段不小于40 d（d 為鋼筋直徑）,同一連接區段內鋼筋焊接接頭率不得大于50%。焊接時,須用冰水浸漬的濕毛巾包裹植筋外露部位的根部[2]。在完成所有鋼筋的焊接及箍筋的綁扎后,方可澆筑胸墻砼。見圖3、圖4。

圖3 胸墻配筋橫剖面圖

圖4 胸墻配筋縱剖面圖

6 胸墻與邊墻的連接

新舊混凝土連接處的粘結強度遠低于整澆混凝土強度,剪力較大,為薄弱環節。實際植筋時存在以下問題無法定量考慮：①鉆孔對周圍混凝土造成的損害；②清孔不干凈會使結構膠與混凝土之間的粘結力顯著下降；③植筋操作中注膠不飽滿使實際錨固長度變小；④溫度、濕度、振動等條件對結構膠耐久性的不利影響；⑤結構膠本身的質量穩定性的問題。

為了減小上述不利因素帶來的影響,設計上可考慮加長植筋深度,或者增加構造措施以增強植筋的可靠性,增加安全儲備。為增強后澆胸墻與邊墻的整體性,本次提出以下三個方案。

（1）方案1

鑿毛胸墻與閘墩邊墻銜接處,頂部鑿毛100 mm,底部鑿毛50 mm,形成楔形體,嵌入原閘墩邊墻,這種方法可使部分胸墻自重自傳遞到邊墻上,從而減小跨中彎矩,進而減小梁底部鋼筋所受拉力。見圖5。

圖5 胸墻植筋縱剖面圖（鑿毛）

楔形鑿毛對頂部砼破壞較多,因此頂層鋼筋保護層厚度應在原有50 mm 的基礎上適當增大,以保證鋼筋拔出時,鋼筋和砼發生整體破壞。同時植筋鉆孔應避開閘墩邊墻原有鋼筋,本次設計胸墻頂部第一排鋼筋砼保護層厚度取150 mm,使得胸墻頂部第一排鋼筋剛好位于已澆閘墩豎向2 排鋼筋的中間。

使用這種方法會對原混凝土構件產生一定的破壞,且存在一定施工難度。

（2）方案2

原方案胸墻配筋,在中間排只有2 根鋼筋,鋼筋間距為500 mm,在滿足規范最小植筋間距s ≥5d（110 mm）的情況下,植筋可適當加密。現中間排鋼筋增加至三根,新增加的鋼筋錯行布置,避免局部植筋過密。新增鋼筋不是通長鋼筋,對于跨中彎矩沒有幫助,但可以增加胸墻和邊墻的錨固,起到類似錨桿的作用。見圖6。

有條件時,可將植筋在新澆砼內做成彎鉤,進一步增強植筋可靠性。

（3）方案3

可借鑒《混凝土結構設計規范》中關于鋼筋錨固方面的規定,鋼筋穿透需植筋的構件,在構件的表面加一塊鋼板,鋼筋末端與鋼板穿孔塞焊,焊接完成后,采用壓力注膠的方法,將鋼板粘在柱子的表面,見圖7。

方案3需要構件在加鋼板時,需要邊墻一側具備施工面。實際工作中,很多構件植筋另一側已澆筑砼或埋在地下,植筋不具備穿透構件或加鋼板的條件,外加鋼板焊接對建筑美觀性也有一定影響。

三個方案可根據實際情況靈活采用,方案1 和方案2 可作為通用構造措施,方案3 有一定局限性,不適合對美觀有要求的建筑。

本工程水閘位于某著名景點,考慮到美觀性,本次不考慮方案3,同時采用方案1 和方案2,目前植筋效果良好。

7 結語

在建筑物加固及混凝土的補強工程中,植筋技術應用廣泛。本文以某水庫水閘新增胸墻為例,對胸墻體型,受力,配筋和植筋深度進行計算和說明。為增強植筋的可靠性,增加安全儲備,提出三種植筋方案措施,并對各方案適用性進行分析,得出適合本工程的植筋方案,可供類似工程參考。