節(jié)制閘牛腿裂縫檢測(cè)及加固處理

孫超君， 曹 猛， 王翹楚， 楊 澤

(江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022)

牛腿是節(jié)制閘的1個(gè)重要構(gòu)件，雖然其尺寸較小，但承擔(dān)了來(lái)自上部工作橋結(jié)構(gòu)的豎向荷載和水平荷載，且電動(dòng)葫蘆等電氣設(shè)備工作時(shí)設(shè)備的荷載均通過(guò)工字鋼軌道傳遞給支撐牛腿再傳遞給下部承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布復(fù)雜[1]。導(dǎo)致牛腿裂縫和混凝土剝落的原因很多，為保證工程運(yùn)行安全，對(duì)存在裂縫問(wèn)題的牛腿進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，分析其存在原因并進(jìn)行加固處理是必要的。本文以秦淮新河節(jié)制閘為例，對(duì)牛腿裂縫檢測(cè)及加固處理技術(shù)進(jìn)行探討。

秦淮新河水利樞紐建成于1982年6月，位于南京市雨花臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)天后村秦淮新河入江口處，與武定門(mén)水利樞紐共同擔(dān)負(fù)著流域2 631 km2內(nèi)的南京、鎮(zhèn)江兩市的江寧區(qū)、溧水區(qū)、句容市及南京郊區(qū)的防洪、排澇、灌溉、水環(huán)境改善及航運(yùn)等任務(wù)。秦淮新河節(jié)制閘共12孔，設(shè)計(jì)排洪流量800 m3/s，校核排洪流量1 100 m3/s，工程規(guī)模為大(2)型[2]。節(jié)制閘每孔凈寬6 m，閘孔凈高9.5 m，閘身總長(zhǎng)87.3 m，閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，三孔一聯(lián)平底板，閘門(mén)為直升式平板門(mén)，分上、下扉，上扉門(mén)為鋼筋混凝土梁柱鋼絲網(wǎng)水泥波形面板結(jié)構(gòu)(門(mén)頂以上為鋼筋混凝土胸墻)，下扉門(mén)為鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，用2×125 kN電動(dòng)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，底板采用直徑1.0 m、深3.0 m砂樁基礎(chǔ)，底板前后設(shè)有防滲板樁。

2019年汛后檢查發(fā)現(xiàn)，節(jié)制閘12號(hào)孔牛腿出現(xiàn)1道縱向裂縫(圖1)，從牛腿承壓面指向牛腿外邊緣。裂縫對(duì)牛腿本身的剛度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等都會(huì)產(chǎn)生影響，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)行為發(fā)生應(yīng)力重分配，造成進(jìn)一步的破壞；另外，裂縫對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)耐久性也會(huì)產(chǎn)生不利影響，加速混凝土的碳化，從而縮短牛腿的使用年限。為進(jìn)一步查找開(kāi)裂原因，為加固處理提供可靠依據(jù)，對(duì)牛腿進(jìn)行全方位的檢測(cè)。

圖1 12號(hào)孔牛腿裂縫示意圖

1 現(xiàn)場(chǎng)牛腿檢測(cè)情況

1.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)和《水利工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ08—90—2014)，在不破壞原混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，采用回彈法檢測(cè)牛腿混凝土現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度[3]。抽檢5個(gè)牛腿，在抽檢的每根構(gòu)件上分別均勻布置10個(gè)面積約200 mm×200 mm的回彈測(cè)區(qū)(見(jiàn)圖2)，分別測(cè)試其回彈值，每個(gè)測(cè)區(qū)布設(shè)16個(gè)回彈點(diǎn)；再根據(jù)超聲波波速情況，選定回彈測(cè)區(qū)，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修正。

圖2 牛腿回彈測(cè)區(qū)分布示意圖

根據(jù)規(guī)程，構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值按式(1)確定：

fcu,e=mfcu,e-1.645Sfcu,e

(1)

式中，fcu,e為構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值，MPa；mfcu,e為測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值的平均值，MPa；Sfcu,e為構(gòu)件混凝土強(qiáng)度換算值的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)檢測(cè)記錄，依據(jù)規(guī)程從測(cè)區(qū)的16個(gè)回彈值中剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值[3]，換算結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，牛腿混凝土整體現(xiàn)齡期抗壓強(qiáng)度為23.8～38.3 MPa，滿足原圖紙中的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)250#混凝土(按照舊標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ10—89)的換算關(guān)系，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C23)要求。

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2 混凝土腐蝕情況檢測(cè)

因?yàn)?2號(hào)孔牛腿有裂縫，采用Resipod混凝土電阻率測(cè)試儀對(duì)12號(hào)孔牛腿混凝土的腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)。將12號(hào)孔牛腿表面防腐涂層清理后，用砂紙清理混凝土表面浮灰，并將裂縫處混凝土碎渣清理干凈。對(duì)2個(gè)外部探頭施加電流，測(cè)量2個(gè)內(nèi)部探頭之間的潛在差異，得到電阻率值，結(jié)果見(jiàn)表2。

《混凝土中鋼筋腐蝕檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DB34/T1929—2013)中規(guī)定：當(dāng)電阻率大于100 kΩ·m時(shí)，即使混凝土在高氯含量或已碳化情況下銹蝕速率也極低；當(dāng)電阻率值范圍在50～100 kΩ·m時(shí)，鋼筋活化狀態(tài)下，出現(xiàn)低速率銹蝕；當(dāng)電阻率值范圍在10～50 kΩ·m時(shí)，鋼筋活化狀態(tài)下，出現(xiàn)中速率銹蝕；當(dāng)電阻率值小于10 kΩ·m時(shí)，電阻率已不是銹蝕的控制因素。

表2 12號(hào)孔牛腿混凝土電阻率以及腐蝕速率

由檢測(cè)結(jié)果看出，12號(hào)孔牛腿測(cè)區(qū)上部的電阻率范圍為107.6～240 kΩ·m，腐蝕速率極低；中部電阻率范圍為12.5 ～218 kΩ·m，有一個(gè)測(cè)點(diǎn)處于中銹蝕速率，其余測(cè)點(diǎn)腐蝕速率極低；下部電阻率范圍為34.9～220 kΩ·m，有一個(gè)測(cè)點(diǎn)處于中銹蝕速率，其余測(cè)點(diǎn)腐蝕速率極低。

2.3 混凝土裂縫情況檢測(cè)

超聲波檢測(cè)法屬于無(wú)損檢測(cè)，是目前較為先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)之一，且儀器輕便，在工程項(xiàng)目中使用較為便捷，所以在工程研究中得到廣泛應(yīng)用。采用超聲波檢測(cè)儀，測(cè)量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度、首波幅度和接收信號(hào)主頻率等聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)及其相對(duì)變化，判定混凝土中的缺陷情況。

對(duì)12號(hào)孔牛腿裂縫深度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。檢測(cè)結(jié)果表明，12號(hào)孔牛腿測(cè)區(qū)上部的裂縫深度范圍為14～40 mm，中部的裂縫深度范圍為19～117 mm，下部的裂縫深度范圍為21～54 mm。

表3 12號(hào)孔牛腿裂縫深度情況

3 牛腿承載力復(fù)核分析

根據(jù)規(guī)程，為滿足裂縫控制要求，牛腿頂部按照荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的豎向力與水平拉力值應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(2)

式中：Fvk為作用于牛腿頂部按照荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的豎向力值，kN；Fhk為作用于牛腿頂部按照荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的水平拉力值，根據(jù)該工程實(shí)際，僅考慮吊車(chē)靜止于跨中進(jìn)行起吊，無(wú)水平拉力取值為0；a為豎向力作用點(diǎn)至下柱邊緣的水平距離，考慮安裝偏差20 mm；β為裂縫控制系數(shù)，支承吊車(chē)梁的牛腿取0.65；b為牛腿寬度，mm；h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度，mm。

12號(hào)孔牛腿結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 12號(hào)孔牛腿結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)該牛腿構(gòu)造，在豎向力作用下，牛腿支承面上局部受壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)0.75fc，即：

Fvk/A≤0.75fc

(3)

根據(jù)規(guī)范，縱向受拉鋼筋應(yīng)該滿足：

(4)

式中，F(xiàn)v為作用在牛腿頂部的豎向力設(shè)計(jì)值，F(xiàn)h為作用在牛腿頂部的水平拉力設(shè)計(jì)值。

根據(jù)該部牛腿構(gòu)造，承載力需要滿足：

(5)

式中，fy取210 MPa，h0=h1-as+c·tanα，其中h1=300 mm，as=20 mm，c=700 mm，tanα=0.285，h0取480 mm，a取600 mm。

根據(jù)牛腿最小配筋率0.2%進(jìn)行安全復(fù)核，節(jié)制閘檢修閘門(mén)起吊時(shí)，采用2×3 t雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫，最大起重重量為：

Fv,max=2×30kN

因此，牛腿的承載力是符合要求的。

4 牛腿裂縫原因分析及加固處理方案

4.1 裂縫成因分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及理論分析，12號(hào)孔牛腿的混凝土強(qiáng)度、混凝土腐蝕速率及承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。綜合分析該節(jié)制閘牛腿出現(xiàn)裂縫的主要因素為：12號(hào)孔牛腿為大型節(jié)制閘邊墩，在吊裝檢修閘門(mén)時(shí)承擔(dān)的承載力最大，使用電動(dòng)葫蘆時(shí)的牛腿受到的偶然荷載過(guò)大，在牛腿內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致牛腿表層混凝土開(kāi)裂，應(yīng)及時(shí)處理。

4.2 加固處理方案建議

裂縫的存在威脅混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性極為不利，需要進(jìn)行及時(shí)處理。如果裂縫較淺，通常處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿，環(huán)氧膠泥或粘貼纖維布等；如果裂縫較寬，或有繼續(xù)發(fā)展增大趨勢(shì)時(shí)，宜采用灌漿法或嵌縫封堵法[4]。經(jīng)檢測(cè)，節(jié)制閘12號(hào)孔牛腿縱向裂縫最深處達(dá)117 mm，釆用滲透結(jié)晶、灌漿等方法難以滿足修復(fù)，應(yīng)采用置換混凝土加固法或外包鋼加固法加固。

4.2.1 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法主要是針對(duì)既有混凝土結(jié)構(gòu)或施工中的混凝土結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)裂損或混凝土存在蜂窩、孔洞、夾渣、疏松等缺陷，或混凝土強(qiáng)度偏低，而釆用挖補(bǔ)的辦法，用優(yōu)質(zhì)的混凝土將這部分劣質(zhì)混凝土置換掉，達(dá)到恢復(fù)結(jié)構(gòu)基本功能的目的。用于置換的新混凝土，流動(dòng)性應(yīng)大，強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原混凝土提高一級(jí)，不小于C25置換混凝土應(yīng)采用膨脹混凝土或膨脹樹(shù)脂混凝土；當(dāng)體量較小時(shí)，采用細(xì)石膨脹混凝土、高強(qiáng)度灌漿料或環(huán)氧砂漿等。

4.2.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法是一種廣泛采用的混凝土構(gòu)件加固方法，主要應(yīng)用于不允許增大原構(gòu)件截面尺寸，且有大幅提高截面承載能力需求的框架梁、柱、牛腿等大型結(jié)構(gòu)或大跨結(jié)構(gòu)的裂縫修補(bǔ)。通常采用型鋼或鋼板外包在原構(gòu)件表面、四角或兩側(cè)，并在混凝土構(gòu)件表面與外包鋼縫隙間灌注高強(qiáng)水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂漿料，同時(shí)利用橫向綴板或套箍為連接件，以提高加固后構(gòu)件的整體受力性能。

為保證工程安全，采用置換混凝土法與外包鋼加固法相結(jié)合的方案。加固處理方案如下：(1)清理牛腿遭受損壞的部分，鑿除已損壞的混凝土，清除表面污物；(2)對(duì)混凝土嚴(yán)重?fù)p壞部分先采用體外預(yù)應(yīng)力錨筋加固處理；(3)采用強(qiáng)度高一等級(jí)的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)加固；(4)牛腿兩側(cè)外包鋼板，并在混凝土構(gòu)件表面與外包鋼縫隙間灌注高強(qiáng)度水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂漿料；(5)對(duì)全部牛腿表面進(jìn)行防碳化處理，提高其耐久性。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)工程通過(guò)采用回彈法、混凝土電阻率測(cè)試法、超聲波檢測(cè)法等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)牛腿進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)牛腿工作狀況有了全面的了解，為下一步裂縫處理提供了可靠依據(jù)。

(2)牛腿加固處理時(shí)，應(yīng)注意新老混凝土結(jié)合面的處理，確保結(jié)合面強(qiáng)度滿足要求。加固完成后，應(yīng)對(duì)牛腿再次進(jìn)行檢測(cè)，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，運(yùn)行時(shí)應(yīng)密切觀察牛腿外觀變化，確保安全。

(3)大型水閘的邊墩牛腿在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，提高邊墩牛腿承載力的設(shè)計(jì)值，可結(jié)合實(shí)例開(kāi)展模型計(jì)算研究，為類似工程設(shè)計(jì)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。