高樁梁板式碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)

毛 利，王京偉，賈存威

寧波市交通規(guī)劃設(shè)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(jīng)濟全球化時代的到來，港口業(yè)務(wù)和水路運輸不斷發(fā)展，海岸附近的碼頭地區(qū)也就成為人員往來最為密集的區(qū)域。為了保證碼頭靠泊處的工程安全，保證人民群眾的財產(chǎn)和生命，需要尋找加固碼頭結(jié)構(gòu)的方法，使碼頭可以承受更大的壓力，不會輕易出現(xiàn)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(jié)構(gòu)，并通過有限元分析的方法，在遇到壓力時，驗證該方法應(yīng)用下的混凝土承受能力。結(jié)果表明該方法可以明顯提高混凝土結(jié)構(gòu)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(guī)模地延長了混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，提高了混凝土梁柱的應(yīng)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(jié)構(gòu)的承載力。文獻[3]提出了一種鋼板和混凝土相結(jié)合的混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)界面的抗裂性和耐久性作為環(huán)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(jié)構(gòu)，但其極限承載力狀態(tài)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(jié)構(gòu)進行了新的加固設(shè)計。

1 高樁梁板式碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)

1.1 建立鋼筋-混凝土材料本構(gòu)模型

在設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)加固的新技術(shù)之前，需要首先建立鋼筋-混凝土本構(gòu)模型，以確定所有加固材料的承載能力，此時的應(yīng)變模型如圖1所示。

圖1 鋼筋-混凝土應(yīng)力本構(gòu)模型

如上圖所示，可以將鋼筋-混凝土的應(yīng)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(qū)域內(nèi)的壓力，而A-B階段則表示無法承受壓力導(dǎo)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(gòu)模型中所能承受的應(yīng)力；θA表示本構(gòu)模型中A點的應(yīng)力節(jié)點；θB表示本構(gòu)模型中B點的應(yīng)力節(jié)點；σx表示某材料的應(yīng)力；ηx表示鋼筋自身的應(yīng)力承載值；Fg表示混凝土的應(yīng)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(yīng)力。

1.2 混凝土配筋率優(yōu)化

在得到了混凝土結(jié)構(gòu)的最大承載力之后，還需要設(shè)置鋼筋的配筋率，這是影響加固混凝土結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)[7,8]。通常情況下，配筋率越高，表示某混凝土結(jié)構(gòu)的抗損壞承載力越大；配筋率過小時，會直接導(dǎo)致混凝土易脆；但是配筋率超過某個限值后，就會導(dǎo)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(shù)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(gòu)參數(shù)下的最優(yōu)解，據(jù)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(shù)

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(shè)計的核心，即通過使用高強度的軸心應(yīng)力構(gòu)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(shù)；gua表示混凝土與鋼筋間距過大時的影響系數(shù)；δopk表示鋼筋應(yīng)力達到峰值時的強度，通常按照gui的影響系數(shù)計算；δhtt則表示混凝土應(yīng)力達到峰值的強度，通常以gua的影響系數(shù)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(shù)：

式中：μhr表示碼頭中混凝土斜截面的承載力參數(shù)；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(yīng)變；hu表示碼頭的高度；—ωi表示混凝土的軟化系數(shù)[13]。

在加固斜截面的受力構(gòu)件時，將受力節(jié)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(qū)混凝土的約束影響力；φi表示當(dāng)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(yīng)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(gòu)件承載應(yīng)力：

式中：Fj表示兩個截面間的構(gòu)件應(yīng)力；Pk表示節(jié)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(shù)；hf表示碼頭混凝土的受壓區(qū)與抵抗壓力區(qū)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(xù)的結(jié)構(gòu)加固過程中，需要滿足：

式中：Fs表示碼頭區(qū)域?qū)嶋H受到的壓力。若Fj沒有大于Fs，則混凝土?xí)霈F(xiàn)裂縫，甚至直接崩裂，因此公式（5）是所有混凝土結(jié)構(gòu)加固的前提。

2 試驗與分析

設(shè)計了一種面向高樁梁板式碼頭的混凝土結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)，為了檢測該混凝土結(jié)構(gòu)的堅固程度，進行試驗與分析。

2.1 混凝土試件設(shè)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(shù)生產(chǎn)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(jù)圖紙制作，試件的設(shè)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(gòu)件模板。在澆筑混凝土前，將鋼制模版內(nèi)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(biāo)度；δm表示混凝度標(biāo)準(zhǔn)差。

在澆筑過程中，需要在每個混凝土試件中預(yù)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(huán)境中保水養(yǎng)護30天。

2.2 混凝土試件預(yù)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(yù)加載示意圖

如上圖所示，對混凝土試件進行預(yù)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(yǎng)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(cè)分別安裝一個TDS-303應(yīng)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(xiàn)象，進而判斷四種加載方法的優(yōu)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(jié)果

根據(jù)裂縫荷載撓度測試結(jié)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(xiàn)裂縫，荷載值出現(xiàn)了一個弧度，導(dǎo)致混凝土試件的撓度發(fā)生了變化，此時的荷載還是上升的趨勢。隨著撓度的繼續(xù)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(dǎo)致荷載值出現(xiàn)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(jié)構(gòu)就越堅固，所能承受的荷載力越大。

3 結(jié)束語

本文通過建立鋼筋-混凝土的本構(gòu)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(jié)構(gòu)加固新技術(shù)。依據(jù)該混凝土加固技術(shù)，澆筑的混凝土外部構(gòu)件越厚，則混凝土本身的加固結(jié)構(gòu)就越堅固，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)加固效果的大幅度優(yōu)化。