預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固大跨度RC空間桁架性能試驗(yàn)研究

卜良桃　劉尚凱　劉嬋娟　吳康權(quán)

摘要：以某島外引水渡槽桁架為工程背景，提出了采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料對(duì)鋼筋混凝土桁架下弦桿進(jìn)行加固的方法，并采用分級(jí)加載的試驗(yàn)方法，在加固后的桁架上進(jìn)行了原位靜載試驗(yàn)，測(cè)試了桁架主要控制截面在各級(jí)荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值變化，將測(cè)試結(jié)果與有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究了桁架加固后的力學(xué)性能.試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固桁架能夠較大程度地提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想.

關(guān)鍵詞：桁架結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力；加固；靜載試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU317.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Based on the engineering background of an island water diversion aqueducts truss， this paper put forward a method using prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen the bottom chord of reinforced concrete truss， used the hierarchical load test method to carry out insitu static load experiment on the strengthened truss， tests deflection， strain（stress） value and their changes of the main control section of truss at different levels of loads， made a comparative analysis of the test results， calculated the value of finite element method， and obtained the mechanical performance of the truss after reinforcement. The experimental results show that the use of prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen truss can improve the bearing capacity of truss structures to a great extent， and new structural layers can work with the original structural layers and their deformation coordination is good. The reinforcement effect is also ideal.

Key words： truss structure； prestressed force； reinforcement ； static load test

國(guó)內(nèi)外體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于橋梁加固方面的實(shí)踐證明，該技術(shù)可保證結(jié)構(gòu)的整體性，新舊體系協(xié)同工作良好，不僅克服了其他加固方法加固材料存在的應(yīng)力滯后問(wèn)題，還可減小撓度和裂縫寬度，提高橋梁承載能力[1-3].由于增設(shè)的體外預(yù)應(yīng)力鋼筋布置于混凝土截面之外，因而保證了新增體外預(yù)應(yīng)力鋼筋在結(jié)構(gòu)的使用期限內(nèi)不發(fā)生銹蝕，才能使加固后的結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性.本文以某島外引水渡槽工程桁架為例，針對(duì)其質(zhì)量缺陷，提出了預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料對(duì)桁架下弦桿進(jìn)行加固的方法，并采用分級(jí)加載的試驗(yàn)方法，在加固后的桁架上進(jìn)行了原位靜載試驗(yàn)，測(cè)試了桁架主要控制截面在各級(jí)荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值變化，將測(cè)試結(jié)果與有限元軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究了桁架結(jié)構(gòu)加固后的力學(xué)性能.試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固桁架程度地提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想.

1工程概況

某排架柱鋼筋混凝土桁架拱式引水渡槽，設(shè)計(jì)使用年限50年，設(shè)計(jì)水流量為3.5 m3/s，桁架單跨跨度為40.2 m，共102跨.上部承重結(jié)構(gòu)主要采用簡(jiǎn)支梁型下承式桁架，由兩榀平行鋼筋混凝土主桁架以及主桁架間鋼結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系（連桿、支撐等）形成支承引水渡槽的承重體系.桁架內(nèi)擱置渡槽，渡槽槽身采用厚9.5 cm預(yù)制鋼筋砼結(jié)構(gòu)，單節(jié)長(zhǎng)度2.5 m.桁架支座立柱采用鋼筋混凝土雙柱式結(jié)構(gòu)，立柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁或擴(kuò)展基礎(chǔ).桁架拱由上、下弦桿、腹桿（豎桿、斜桿）組成，其中上弦桿為2次拋物線曲桿，截面尺寸為300 mm×260 mm；下弦桿截面尺寸為260 mm×340 mm；豎桿截面尺寸為200 mm×160 mm；斜桿截面尺寸有200 mm×160 mm和200 mm×250 mm 2種；桿件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35.桁架立面布置及桿件編號(hào)示意圖如圖1所示.

在本工程試通水引水后，渡槽有1跨出現(xiàn)垮塌事故，經(jīng)相關(guān)單位現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及計(jì)算復(fù)核，該桁架存在鋼筋混凝土主桁架的下弦拉桿原設(shè)計(jì)主筋配置偏少、節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量差、混凝土強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，需對(duì)鋼筋混凝土桁架進(jìn)行加固處理.

2加固方案

下弦桿為關(guān)鍵加固部可位，若采取加固措施，初步分析可對(duì)桁架的薄弱桿件采取2種加固方案，即粘貼碳纖維布加固法[4]、預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固法.

方案1，粘貼碳纖維布加固法主要是靠粘貼碳纖維布來(lái)增加桿件抗拉能力，應(yīng)用配套樹(shù)脂膠黏劑將碳纖維粘貼于承載力不滿足要求的混凝土構(gòu)件外部相應(yīng)部位，以達(dá)到構(gòu)件滿足承載力要求的一種補(bǔ)強(qiáng)加固方法.其加固原理是利用其配套樹(shù)脂的剪切強(qiáng)度將混凝土構(gòu)件承載的荷載傳遞給碳纖維布，使后粘貼碳纖維布和原鋼筋混凝土構(gòu)件共同承受荷載作用力.碳纖維布的抗拉強(qiáng)度較高，但卻是“被動(dòng)”地增加構(gòu)件的抗拉承載力，只有在桁架結(jié)構(gòu)受力較大時(shí)才能得以體現(xiàn)，且施工成本較高，耐老化性能差.

方案2，預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固法特點(diǎn)有：1）新增預(yù)應(yīng)力筋能彌補(bǔ)原設(shè)計(jì)配筋不足；2）體外施加預(yù)應(yīng)力法“主動(dòng)”補(bǔ)充預(yù)應(yīng)力，新增預(yù)應(yīng)力筋能較快的與原結(jié)構(gòu)共同參與工作，結(jié)構(gòu)承載力能夠得到較大的提高；3）外包水泥基灌注料屬于無(wú)機(jī)材料，與原結(jié)構(gòu)材性接近，不會(huì)形成不相容的隔離層，抗老化、風(fēng)化性能好，耐久性較好.經(jīng)方案對(duì)比論證，該桁架采用方案2進(jìn)行加固[5-6].即在下弦桿四周對(duì)稱(chēng)安裝4根預(yù)應(yīng)力筋后外包C60水泥基灌注料.C60水泥基灌注料由湖南固力工程新材料有限公司提供.預(yù)應(yīng)力筋采用直徑15.2 mm （1×7），強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的低松弛有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其性能應(yīng)滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）的規(guī)定.張拉端采用夾片式錨具，固定端采用擠壓錨，其性能必須滿足《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》GB/T 14370的要求并達(dá)到 I類(lèi)錨具的要求.經(jīng)計(jì)算，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為930 MPa.張拉時(shí)應(yīng)采用應(yīng)力控制，應(yīng)變校核的方法進(jìn)行.實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值與計(jì)算值的偏差應(yīng)在-6%～+6%范圍之內(nèi).施工中做現(xiàn)場(chǎng)施加預(yù)應(yīng)力記錄.

該桁架加固除主要對(duì)下弦桿采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固外，還對(duì)豎桿進(jìn)行了加強(qiáng)處理，同時(shí)對(duì)斜桿和上弦桿表面施工缺陷采用了高性能水泥復(fù)合砂漿修補(bǔ)[7-9]，以提高其耐久性.加固方案見(jiàn)圖2.

3靜載試驗(yàn)

采用原位靜水試驗(yàn)、分級(jí)加載的方法[10-12]，測(cè)試了試驗(yàn)跨其中一榀桁架主要控制截面在各級(jí)靜力水荷載作用下的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等數(shù)值的變化，并將測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較.

撓度測(cè)試布置3個(gè)測(cè)試位置，分別位于桁架下弦桿左右1/4跨和跨中.所采用的儀表為機(jī)械式千分表.

應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)試采用全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集BZ2205C靜態(tài)應(yīng)變儀.選取主要控制截面為桁架下弦桿受力最大的跨中截面（即下弦桿的第8根）.本試驗(yàn)分別粘貼了4片應(yīng)變片，原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變片2片，新增預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變片2片，均沿著鋼筋受力方向粘貼.應(yīng)變片粘貼的具體位置及編號(hào)如圖3所示，S1～S2為新增預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變片，S3～S4為原結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變片.

試驗(yàn)開(kāi)始之前，在渡槽內(nèi)側(cè)先標(biāo)注好水深刻度.將粘土分裝入塑料編織袋，然后在所試驗(yàn)槽身段兩端用分裝好的土袋堆砌成擋水壩，與渡槽上邊緣平齊.然后用1臺(tái)功率為1 500 W的抽水泵從下游向槽身內(nèi)注水.從空槽到設(shè)計(jì)水深歷時(shí)24 h.由于抽水流量小，加載時(shí)間長(zhǎng)，水深變化緩慢，因此，可以認(rèn)為這種荷載為靜力荷載.不必考慮加速度及慣性力的作用.

本試驗(yàn)加載分段分級(jí)進(jìn)行.以每200 mm水深荷載為一級(jí).每級(jí)荷載持荷20 min，測(cè)讀各儀器儀表讀數(shù)，同時(shí)在加載過(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)各控制測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、撓度變化情況，保證試驗(yàn)安全順利進(jìn)行，按此加載方式直至滿槽（水深1.5 m）.最后在水荷載卸載完成并穩(wěn)定20 min后，測(cè)讀各測(cè)點(diǎn)的殘余變形.

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，對(duì)本試驗(yàn)安全作出如下預(yù)案，若加載試驗(yàn)發(fā)生下列情形之一，立即終止試驗(yàn)并將水迅速放掉：

1）控制測(cè)點(diǎn)變形達(dá)到或超過(guò)規(guī)范允許值；

2）控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值達(dá)到或超過(guò)計(jì)算理論值；

3）由于水荷載試驗(yàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非正常局部損傷，影響到渡槽工程桁架結(jié)構(gòu)的承載力和正常使用.

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況來(lái)看，加載過(guò)程非常順利，加載效果比較理想；上述情況實(shí)際并未發(fā)生.現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)如圖4所示.

4試驗(yàn)結(jié)果

4.1撓度測(cè)試結(jié)果

桁架在不同水深作用下，各測(cè)點(diǎn)撓度與水深關(guān)系見(jiàn)圖5.從圖中可以看出，桁架各測(cè)點(diǎn)撓度隨著水深的不斷增加而增大.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：實(shí)測(cè)撓度值與水深（荷載）基本呈線性關(guān)系.

4.2應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)試結(jié)果

桁架在不同水深作用下，應(yīng)變值隨水深變化實(shí)測(cè)值如圖6所示，圖7所示.應(yīng)變測(cè)試值均為正值，表明桁架下弦桿處于受拉狀態(tài).隨著水深的抬高（荷載的增大），拉應(yīng)變呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì).根據(jù)應(yīng)變結(jié)果，渡槽滿槽（水深1.5 m）時(shí)，該測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)峰值應(yīng)力分別為：σ1=130.26 MPa，σ2=128.70 MPa，σ3=127.80 MPa，σ4=129.40 MPa.

從圖6及圖7可以看出，應(yīng)變值與水深基本呈線性關(guān)系，應(yīng)變隨著水深增加而逐漸增大.試驗(yàn)結(jié)果表明：加固預(yù)應(yīng)力筋與原結(jié)構(gòu)鋼筋共同工作，變形協(xié)調(diào)較好.

5 試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的比較與分析

5.1有限元模型的建立與修正

該桁架為空間桁架體系，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)采用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進(jìn)行，該程序在靜動(dòng)力計(jì)算方面具有速度快，精度高的特點(diǎn).空間有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖8.

試驗(yàn)前，根據(jù)原設(shè)計(jì)要求及靜水試驗(yàn)的水加載方案，按照分級(jí)加載方式，逐步進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，獲取測(cè)點(diǎn)的撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）等控制數(shù)據(jù)，為在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置安全預(yù)警值提供依據(jù).

試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際測(cè)量的加載方式、測(cè)試當(dāng)天的溫度及風(fēng)壓變化等參數(shù)，在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)有限元模型的參數(shù)進(jìn)行修正，使模型與實(shí)際加載

狀況盡量一致，然后對(duì)試驗(yàn)加載過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化分析，計(jì)算出各控制截面的撓度、應(yīng)力（應(yīng)變）等結(jié)果，為結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況評(píng)價(jià)提供理論依據(jù).

5.2撓度測(cè)試結(jié)果與計(jì)算分析

在渡槽滿槽（水深1.5 m）時(shí)，荷載作用下的撓度實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值如表1所示，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.958～0.968之間，表明試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值比較吻合.卸載后相對(duì)殘余變形在7.90%～8.64%之間，滿足規(guī)范規(guī)定的殘余變形小于20%的要求.

5.3應(yīng)變（應(yīng)力）測(cè)試結(jié)果與計(jì)算分析

在渡槽滿槽（水深1.5 m）時(shí)，荷載作用下的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值如表2所示，桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)在0.866～0.905之間，表明試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值比較吻合.

5結(jié)論

1）對(duì)某大跨度鋼筋混凝土空間桁架加固后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)撓度、應(yīng)變（應(yīng)力）及殘余變形等各項(xiàng)指標(biāo)，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果表明，該桁架靜載試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較吻合，桁架下弦桿在整個(gè)靜載試驗(yàn)過(guò)程中處于彈性工作狀態(tài).

2）采用預(yù)應(yīng)力與外包水泥基灌注料加固大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)能夠在較大程度上提高桁架結(jié)構(gòu)承載力，且新增結(jié)構(gòu)層與原結(jié)構(gòu)共同工作及變形協(xié)調(diào)較好，加固效果較為理想，為同類(lèi)工程提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1]喬墩.體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1992， 11（3）：46-55.

QIAO Dun.The technology of external prestressed tendons and its application in bridge engineering[J].Journal of Chongqing Jiaotong University， 1992， 11（3）：46-55. （In Chinese）

[2]艾軍，史麗遠(yuǎn).公路梁橋體外預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)與施工方法研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，32（5）：771-774.

AI Jun， SHI Liyuan. Discussion of design and construction method on extraneous prestressed strengthening technique for bridge[J].Journal of Southeast University： Natural Sciences， 2002， 32（5）： 771-774.（In Chinese）

[3]朱典文，唐小兵，張萬(wàn)平.橋梁結(jié)構(gòu)的體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)[J].交通科技，2002（6）：38-41.

ZHU Dianwen， TANG Xiaobing， ZHANG Wanping. The concrete bridge with external presstressing[J].Thansportation Science & Technology， 2002（6）：38-41.（In Chinese）

[4]李新生，王剛，郭英.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土桁架橋梁加固技術(shù)研究[J].世界橋梁，2010（4）：68-70.

LI Xingsheng， WANG Gang， GUO Ying. Research ofstrengthening techniques for long span prestressed concrete truss bridges[J]. Bridge of the World，2010（4）：68-70.（In Chinese）

[5]GB 50367-2013 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：35-36.

GB 50367-2013 Design code for strengthening concrete structure[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2013：35-36.（In Chinese）

[6]JGJ/T 279-2012 建筑結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：8-10.

JGJ/T 279-2012 Technical specification for strengthening building structures with external prestressing tendons[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2012：8-10.（In Chinese）

[7]卜良桃，葉蓁，周子范，等.鋼筋網(wǎng)復(fù)合砂漿加固受彎足尺寸RC梁二次受力試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27（5）：94-100.

BU Liangtao， YE Zhen， ZHOU Zifan，et al. Experimental study on RC beam reinforced by reinforcing steel bar mesh mortar subject to secondary load[J]. Journal of Building Structures，2006，27（5）：94-100.（In Chinese）

[8]卜良桃，葉蓁，胡尚瑜. HPF加固RC足尺梁二次受力抗彎試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，34（3）：15-19.

BU Liangtao， YE Zhen， HU Shangyu. Experimental study of RC beam strengthened by ferrocement mortar subject to secondary load[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences，2007，34（3）：15-19.（In Chinese）

[9]卜良桃，陳軍，魯晨. PVCECC加固RC足尺梁二次受力試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，38（1）：1-7.

BU Liangtao， CHEN Jun， LU Chen. Experiment on fullscale RC beam reinforced by polyvinyl alcoholengineered cementitious composite mortar in flexture subjected to secondary load[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2011， 38（1）：1-7.（In Chinese）

[10]GB/T 50784-2013 混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：61-64.

GB/T 50784-2013 Technical standard for insite inspection of concrete structure [S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2013：61-64.（In Chinese）

[11]GB/T 50152-2012 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：14-20.

GB/T 50152-2012 Standard methods for testing of concrete structure[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2012：14-20.（In Chinese）

[12]彭大文，丁文勝.大型鋼管桁架結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)研究[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，10（3）：180-185.

PENG Daweng， DING Wensheng. The research of static loading test on largesize steel tube truss structure[J]. Journal of Shanghai Institute of Technology： Natural Science，2010，10（3）：180-185.（In Chinese）