超張拉理論在預(yù)應(yīng)力渡槽裂縫處理中的應(yīng)用

張 濤 屈 展 稅創(chuàng)新

(1. 湖北昊源建設(shè)工程有限公司,湖北 宜昌 433002;2. 宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局, 湖北 宜昌 433002)

當(dāng)前預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在我國渡槽工程中逐步普及,而各類預(yù)應(yīng)力渡槽梁體裂縫等病害日益普遍。 目前國內(nèi)外裂縫處理以封閉、外補(bǔ)強(qiáng)等方式居多。 本文以湖北宜昌簡溝渡槽為實(shí)例,對(duì)預(yù)應(yīng)力渡槽在張拉前腹板出現(xiàn)的裂縫從超張拉理論角度進(jìn)行探討處理。

1 工程概況

簡溝渡槽位于湖北省東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠樁號(hào)36 +170.4 至36 +647.88,設(shè)計(jì)過流能力14.0m3/s,加大設(shè)計(jì)流量16.8m3/s。 槽身段主跨為跨度30m“預(yù)應(yīng)力T 梁+矩形過水槽身” (見圖1) 的簡支結(jié)構(gòu),共12 跨。

圖1 預(yù)應(yīng)力渡槽槽身結(jié)構(gòu)(單位:mm)

該渡槽在施工期間,少部分T 型梁出現(xiàn)了多處裂縫。 筆者從施工方面分析裂縫產(chǎn)生原因,并基于混凝土異彈模界面裂縫斷裂準(zhǔn)則,從超張拉理論計(jì)算分析,提出處理方案。

2 裂縫分布及成因

該渡槽于2018 年6 月進(jìn)行了12 號(hào)、14 號(hào)梁體預(yù)制,在張拉前預(yù)應(yīng)力渡槽T 梁腹板馬蹄形至翼緣板底部產(chǎn)生不同程度的裂縫。

2.1 裂縫分布

顯微圖像和超聲波檢測(cè)顯示:12 號(hào)梁共6 條,其中最嚴(yán)重的5 號(hào)縫最大縫寬為0.16mm,最大縫深為37mm,最大縫長1100mm,距梁底僅余120mm;14 號(hào)梁共20 條,其中最大縫寬0.14mm,為1 號(hào),最大縫深65mm,為11 號(hào),最大縫長2000mm ,為15 號(hào),4 號(hào)、12號(hào)、15 號(hào)已延伸至梁底。 鋼筋保護(hù)層厚度超過30mm的裂縫有24 條。 裂縫特點(diǎn)主要有:?左右兩側(cè)分布較對(duì)稱,均呈豎向分布;?集中在梁體長度方向1/2 ~1/4范圍內(nèi);?主要集中從腹板下緣馬蹄部位向上延伸,部分接近梁底;?偶現(xiàn)靠近橫隔板處,且延伸最長。 具體裂縫分布見圖2 ~圖5。

圖2 12 號(hào)梁有隔板側(cè)(單位:mm)

圖3 12 號(hào)梁無隔板側(cè)(單位:mm)

2.2 裂縫成因

經(jīng)梳理排查施工條件及、分析裂縫特點(diǎn),認(rèn)定裂縫成因主要有:?T 梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,其膠凝材料量大,且未添加粉煤灰,初期48 小時(shí)內(nèi)部水化熱達(dá)到極值,核心溫度可達(dá)60℃以上,導(dǎo)致薄壁混凝土內(nèi)部與外表面溫差極大,如此溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土初期抗拉強(qiáng)度,并在變截面等應(yīng)力集中部位體現(xiàn);?澆筑時(shí)段晝夜溫差大,加劇混凝土內(nèi)外溫度梯度;?受狹窄河谷場(chǎng)地限制,無法采取有效的溫控措施;?個(gè)別橫隔板拆模不合理。 最終因翼緣板、腹板馬蹄約束導(dǎo)致腹板薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生以溫度裂縫為主的系列裂縫。

圖4 14 號(hào)梁有隔板側(cè)(單位:mm)

圖5 14 號(hào)梁無隔板側(cè)(單位:mm)

3 裂縫特點(diǎn)及影響因素分析

3.1 裂縫特點(diǎn)

裂縫主要有以下特點(diǎn):?部分裂縫深度已超過鋼筋保護(hù)層厚度;?所有裂縫走向均為豎向;?裂縫主要集中分布在梁體長度方向1/4 至1/2 的中下部,部分裂縫已延伸至梁底;?梁體為薄壁結(jié)構(gòu),裂縫基本屬于溫度應(yīng)力導(dǎo)致的張性裂縫。 若不進(jìn)行處理,后期運(yùn)行中,受彎核心區(qū)域的裂縫將對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

3.2 影響因素分析

目前國內(nèi)對(duì)預(yù)應(yīng)力T 梁結(jié)構(gòu)裂縫采取的加固處理方式主要有:?對(duì)龜裂狀、直線裂縫中窄縫( <0.1mm)采取樹脂等表面封閉,對(duì)稍寬縫(0.1 ~0.15mm)采取灌漿處理;?對(duì)順預(yù)應(yīng)力方向、梁端斜豎裂縫采取灌漿及粘貼碳纖維等外表面粘貼加固補(bǔ)強(qiáng)等措施。

鑒于本工程裂縫產(chǎn)生部位、走向、深度等指標(biāo)的特殊性,修補(bǔ)加固材料彈性模量與原混凝土不一致、梁體尚未張拉等因素,若按傳統(tǒng)的封閉加固方法,其耐久性、封閉成效等方面仍存在不確定性。

3.2.1 界面異彈性模量的不利影響

通常裂縫修補(bǔ)材料彈性模量難以做到與原混凝土彈性模量一致。 而裂縫擴(kuò)展程度與鋼筋混凝土梁界面彈性模量的變化有著較為顯著的影響。 同時(shí)依據(jù)混凝土異彈模界面裂縫斷裂準(zhǔn)則,一類為裂縫沿著兩種材料的交界面擴(kuò)展,另一類為裂縫沿著斷裂韌度低于交界面的非交界面擴(kuò)展。 基于雙材料三維界面裂縫斷裂準(zhǔn)則,在裂縫面上既有張開位移又有滑開位移及撕開位。 這些理論充分顯示,結(jié)構(gòu)本體混凝土彈性模量與裂縫修補(bǔ)材料的彈性模量的差異極大影響著裂縫修復(fù)質(zhì)量。

而裂縫修補(bǔ)材料的彈性模量等物理性質(zhì)難以做到與本體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致,水泥基的材料存在普遍的收縮性質(zhì),硬化樹脂類的熱膨脹系數(shù)與本體不一致,柔性樹脂類耐久性不足。 本工程渡槽停水、通水運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換頻繁,在空載、滿載運(yùn)行工況下,反復(fù)大幅撓度變形中,必然產(chǎn)生不一致的協(xié)調(diào)變形,因而存在裂縫修補(bǔ)的新老結(jié)合處易重新開裂的不利影響。

3.2.2 應(yīng)力損失不利影響

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)行過程中存在錨具變形、孔道摩擦、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛、混凝土收縮徐變等各種引起應(yīng)力損失的因素。 其中初期的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力松弛和后期的混凝土收縮徐變導(dǎo)致的應(yīng)力損失尤為突出。 經(jīng)過幾種應(yīng)力損失后,混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力過小,不能有效提高構(gòu)件的抗裂度和剛度。

對(duì)于已產(chǎn)生裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),受制于其裂縫修補(bǔ)效果不一,特別是針對(duì)0.1mm 以下的細(xì)微裂縫,難以達(dá)到有效灌縫效果,后期應(yīng)力損失將不可避免地對(duì)已修復(fù)的裂縫在運(yùn)行承載變形期間重新開裂帶來不利影響。

3.3 超張拉加固分析

3.3.1 超張拉原理

本工程裂縫均呈豎向分布,為張性縫,且大部分集中在跨中區(qū)域,該區(qū)域梁體承受荷載最不利的主應(yīng)力為受彎引起的拉應(yīng)力。 為消除上述不利影響,依據(jù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。 對(duì)存在垂直法向應(yīng)力方向薄弱部位的混凝土結(jié)構(gòu)(原存在裂縫區(qū)域)提供更大的壓應(yīng)力,其將受增加的錨固壓應(yīng)力而強(qiáng)化受損部位結(jié)構(gòu)。 超張拉讓梁體保持在一個(gè)持續(xù)受壓強(qiáng)化的狀態(tài),同時(shí)隨著張拉強(qiáng)度的增加,保持受損修復(fù)后的預(yù)應(yīng)力混凝土的完整性和穩(wěn)定性。

通過適度提高張拉力,讓預(yù)應(yīng)力鋼筋引起的預(yù)壓應(yīng)力抵消荷載引起構(gòu)件受拉邊緣(跨中下緣)的拉應(yīng)力,使梁體在正常運(yùn)行工況下,仍維持全斷面受壓狀態(tài),同時(shí)有效克服各類不利應(yīng)力損失,保障受損修復(fù)后的梁體全生命周期內(nèi)維持可靠的安全余度。

3.3.2 超張拉應(yīng)力控制范圍復(fù)核

本工程渡槽梁體裂縫控制等級(jí)為二類,為一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。 此時(shí)計(jì)算基準(zhǔn)按正截面混凝土法向應(yīng)力小于0.7 倍的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.59N/mm2)。 考慮各類修復(fù)材料彈性模量差異及其軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值高低不一,消除跨中截面下緣拉應(yīng)力對(duì)裂縫修復(fù)效果的不利影響,同時(shí)降低應(yīng)力損失,按照嚴(yán)格不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件復(fù)核。 對(duì)跨中截面進(jìn)行正截面抗裂計(jì)算。 依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191—2008)對(duì)工程運(yùn)行最不利工況渡槽滿水狀態(tài)和單片梁自重工況進(jìn)行最不利位置跨中正截面抗裂復(fù)核。

a. 滿槽水工況。 本工況考慮結(jié)構(gòu)自重、滿槽水重、槽頂人群荷載等,復(fù)核設(shè)計(jì)構(gòu)件跨中抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土法向應(yīng)力

式中,sck為在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,構(gòu)件抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土法向應(yīng)力,N/mm2; Mk為按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的彎矩值,N·mm;W0為構(gòu)件換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩,mm3; spc為受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力處的混凝土法向應(yīng)力,N/mm2;Np為預(yù)應(yīng)力鋼筋及非預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力,N;An為凈截面面積,mm2;epn為凈截面重心至預(yù)應(yīng)力鋼筋及非預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)的距離,mm;yn為凈截面重心至所計(jì)算處的距離,mm;In為凈截面慣性矩,mm4。

梁底部拉應(yīng)力雖小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),但仍存在拉應(yīng)力,不滿足嚴(yán)格不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件的要求,若此拉應(yīng)力大于灌縫材料其抗拉強(qiáng)度或大于灌縫材料與混凝土界面的黏接抗拉強(qiáng)度,則裂縫會(huì)重新張開。

經(jīng)試算,再調(diào)整孔道鋼絞線,每孔?15.2 鋼絞線由原來11 根增加到12 根,同時(shí)增大張拉控制應(yīng)力,超張拉至σcon= 0.75fptk。此時(shí):

且此時(shí)其最大法向應(yīng)力小于C50 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1N/mm2,滿足規(guī)范要求。 同時(shí)鋼絞線張拉控制應(yīng)力也滿足規(guī)范規(guī)定的不大于0.75fptk的上限要求。

b. 渡槽梁體自重工況。 梁由于預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)張拉作用,可能會(huì)在構(gòu)件上邊緣混凝土引起預(yù)拉應(yīng)力。施加荷載后,荷載在構(gòu)件上邊緣引起的壓應(yīng)力可以產(chǎn)生對(duì)預(yù)拉應(yīng)力的抵消效果。 上部渡槽尚未落位,僅考慮T 型梁自重時(shí),荷載引起的壓應(yīng)力對(duì)預(yù)拉應(yīng)力的抵消效果最弱,此時(shí)為最不利工況。 復(fù)核設(shè)計(jì)構(gòu)件跨中抗裂驗(yàn)算邊緣的混凝土法向應(yīng)力

扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后在驗(yàn)算截面上邊緣的混凝土法向拉應(yīng)力

拉應(yīng)力小于壓應(yīng)力,符合要求。

4 裂縫處理

4.1 處理方案

在滿足設(shè)計(jì)要求和保障建筑物安全運(yùn)行的前提下,混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷處理,以少損傷母體為原則,裂縫處理方案采用先處理裂縫,再進(jìn)行張拉,具體方案為:?寬度<0.10mm 的裂縫,在表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料進(jìn)行封閉,寬度≥0.10mm 的裂縫或出現(xiàn)鈣化的裂縫,采取化學(xué)灌封、表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶材料;?調(diào)整孔道鋼絞線根數(shù),?15.2 鋼絞線由原來每孔11 根增加到12 根,同時(shí)增大張拉控制應(yīng)力,超張拉至σcon= 0.75fptk。

4.2 處理結(jié)果

經(jīng)處理后,利用超聲波跨縫進(jìn)行裂縫檢查,利用手持式取芯機(jī)對(duì)裂縫位置淺層鉆取芯樣(見圖6),輔助檢測(cè)裂縫處理效果。 檢測(cè)結(jié)果一致表明:裂縫填充效果良好,芯樣完整、縫隙填充密實(shí),達(dá)到了預(yù)期效果。該渡槽已于2018 年12 月建成,并經(jīng)過維持一周時(shí)長的滿槽水靜載試驗(yàn),原裂縫部位無異常。 目前已通水運(yùn)行3 年余,其間運(yùn)行管理單位多次對(duì)裂縫修復(fù)部位進(jìn)行觀測(cè),裂縫修復(fù)效果完好,運(yùn)行正常。

圖6 裂縫處跨縫芯樣(裂縫已充填密實(shí))

5 結(jié) 論

a. 因混凝土彈性模量與裂縫修補(bǔ)材料基性難以保持絕對(duì)一致,受彈性模量差異大影響,在運(yùn)行期反復(fù)撓度變形中,裂縫可能重新張開。

b. 對(duì)存在垂直法向應(yīng)力方向的張性裂縫預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),采用適度超張拉,提供更大的壓應(yīng)力,進(jìn)而強(qiáng)化裂縫受損部位,同時(shí)有效克服各類不利應(yīng)力損失,維持受損混凝土結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)可靠的安全余度。