72张家宏-弧形闸门支承结构的预应力补强加固技术new.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 弧形闸门支承结构的预应力补强加固技术 张家宏 刘致彬 夏世法 （中国水利水电科学研究院，北京100038） 提 要本文介绍了弧形闸门的支承结构的预应力补强加固方法。根据弧门推力和结构内力，采用平行弧门推力方向布置钢绞线，锚固端埋入闸墩上游内部，对支座施加的作用力与弧门推力方向相反，以抵消部分门推力。这种方法概念清晰，受力明确，不破坏原结构的整体性，施工快捷简便，应用前景广阔。 关键词弧形闸门，闸墩，预应力加固 1 前言 任何一个水利枢纽都必须设置泄水建筑物，其主要作用是宣泄超过水库调蓄能力的洪水，以防洪水浸过坝顶危及大坝安全，尤其是以土石坝为挡水建筑物的水库更是如此。弧形闸门的支承结构支座和闸墩组成一空间结构，共同承担弧门支臂传来的水压力，它们的可靠性直接关系到泄水建筑物能否安全运行。 任何补强加固工程，首先必须了解现有结构的特点、施工方法、维修状况以及其承受集中荷载的能力。北京市斋堂水库的溢洪道、泄洪洞的弧形闸门支承结构的补强加固，可以做为一个应用实例。水库土坝坝高58.5m，库容4602万m3，工程等级为三等，建成于1973年，现在通过安全复核计算，原设计的弧门支承结构配筋不能满足现行设计规范要求。为安全计，需要进行补强加固处理。经过方案比较，认为采用预应力加固技术是适当的。 2 传统的弧门支承结构的特点 （1）支承结构包括支座和闸墩。通常，弧门推力通过支座传给闸墩。支座常常设在闸墩下游侧，是一个突出闸墩表面的短悬臂构件。其外形多为长方形或方形。支座内钢筋与闸墩内钢筋和扇形幅射状钢筋联结在一起，一次浇筑混凝土，使支座与闸墩构成一整体，共同承担弧形闸门所承受的水压力及其他荷载。 张家宏，男，1976.11出生，工程师 （2）扇形筋数量的确定 以往关于扇形钢筋的计算可以概括为两种方法一是假定弧门推力全部由扇形筋承担，其数量由式（1）或（2）确定 （1） （2） 式中 扇形钢筋截面面积； 扇形钢筋抗拉强度； 弧门推力； 安全系数，多数工程取值1.5； 考虑到扇形筋方向与弧门推力方向的偏差系数，取为0.90-0.95。 另一方法是假定门推力由扇形钢筋和闸墩混凝土共同承担，其数量由式（3）确定 （3） 式中安全系数，取值多为1.8。 由此可见，上述两种计算方法并无本质区别，只不过是安全系数取值不同而已，正说明经验因素在起主要作用。 （3）扇形筋的布置 试验资料表明，弧门推力所引起的闸墩内拉应力随着距支座门铰距离的增大而逐渐减小，沿门推力方向如此，垂直门推力方向亦如此。通常，在支座上游面与闸墩交线的中间部位拉应力最大，12米范围内的闸墩表面拉应力数值及应力梯度均较大。 考虑到闸墩两侧均布有构造钢筋，一般情况扇形筋延伸长度到混凝土允许抗拉强度区域，再加上锚固长度（3040d），长短相间截断即可。 至于扇形筋的扩散范围，一般是支座下游边开始，布满或略大于支座宽度范围，向上游呈扇形状伸展布置，扇形筋与弧门推力方向的夹角不宜大于30。 由于扇形筋的数量与弧门推力成正比，当门推力较大时，扇形筋的数量亦多，一排布置困难，通常布置成两排。扇形筋距闸墩表面的距离多为2030厘米。 3 斋堂水库溢洪道、泄洪洞弧门支承结构的预应力补强加固 3.1弧门支承结构的预应力加固方案 常规补强加固的方法有粘贴钢板、粘贴碳纤维布、增加钢筋或加大断面等，采用这些常规方法，关键是如何与支座紧密联系，与原支承结构共同承担弧门传来的巨大水压力。通过综合分析，在不破坏原结构整体性的前提下，采用预应力补强加固方案是适宜的。由于预加力可以认为是对结构施加的外荷载，因此选用平行弧门推力方向的布筋形式，使预加力对弧门支座施加的作用力与弧门推力方向相反，以平衡部分门推力荷载。这种方法概念清晰，受力明确，其主要优点如下 （1）预应力筋沿弧门推力方向布置，除补足受力筋外，尚增加了支座的抗剪切能力； （2）不破坏原支座、闸墩结构的整体性； （3）采用高强、低松弛钢绞线，强度高，用量少，占据空间小，施工简便。 3.2预应力加固设计要点 （1）单根钢绞线张拉 这种体系采用直径为15.2毫米七丝钢绞线，破断强度为1860 Mpa，其特点是单根张拉单根锚固，主要优点是 a、灵活方便，可根据需要选用钢绞线根数以达到设计要求的预加力吨位； b、由于单根张拉和锚固，应力容易控制； c、适宜高空作业，因为小型千斤顶重量轻，移动和操作方便，张锚速度快。 图1 溢洪道右边墩钢绞线布置 考虑到闸墩混凝土标号较低，故将上游锚固端设在闸墩内部，采用改进压力型锚固；下游锚固端作用在由40b槽钢组合的钢梁上，钢梁垂直门推力方向支撑在支座背后，绞线平行弧门推力方向布置。整个钢绞线则通过预先开挖的沟槽埋入闸墩内。钢绞线布置如图1及图2所示。 （2）预应力钢绞线数量的确定 图2 泄洪洞边墩钢绞线布置 采用预加应力加固弧门支承结构，可理解为在弧门推力作用之前，通过张拉荷载向支座施加相反方向的一定数量的预加应力；当弧形闸门投入运行后，部分弧门推力所产生的拉应力首先被这一压应力所抵消。超过这一荷载所引起的拉应力则由原配钢筋和新增加的钢绞线共同承担。根据复核计算成果[1]，溢洪道及泄洪洞弧门支承结构所需钢绞线根数列入表1。 表1 溢洪道、泄洪洞弧门支承结构所需钢绞线根数 工程部位 钢绞线根数（破坏强度1860MPa） 溢洪道 中墩（两侧） 62 左边墩 12 右边墩 10 泄洪洞 左边墩 8 右边墩 8 （3）上游锚固端的结构 上游锚头宜深埋入闸墩内部，锚固端采用改进压力型锚固结构[2]，即挤压锚头承压钢垫板钢筋包围在钢绞线周围，钢绞线外面设置隔离层与粘胶脱开。上游锚固端结构如图3所示。 图 3 改进压型锚固端构造 （4）钢绞线转角部位设计 预应力钢绞线斜插入闸墩内部，必须通过转角变换方向才能沿弧门推力方向施加预应力。在转角部位与预应力钢绞线接触区域，由于摩擦力和横向挤压力作用，如果转角部位设计不当或构造措施不合理，预应力钢绞线容易产生局部硬化和摩擦阻力过大现象。由于目前尚无适当的计算方法和试验数据，应适当降低控制张拉应力。 FIP标准钢绞线弯折抗拉试验规定如果预应力筋的曲线半径，则其抗拉强度的降低值小于5﹪[3]。 式中系数，对于光滑管道20，波纹管40； 钢绞线或钢丝公称直径； N 同一束预应力钢绞线或钢丝总数； 图4 闸墩上游锚固端转角部位构造 n 传递径向分力的钢绞线或钢丝的根数。 对于单根钢绞线情况，曲率半径大于30.5cm即可。此外，张拉控制应力不大于0.6倍钢绞线强度标准值。 （5）下游张拉端结构 张拉端位置选在支座背后，承压钢梁牢固地支撑在支座背面，这样张拉荷载通过承压钢梁直接传给支座并传递到闸墩。这种施加预应力的加固方法要求锚固节点必须安全可靠。承压钢梁为组合槽钢截面，通过局部抗弯、抗剪和局部承压验算后的截面尺寸如图5所示。 图5 承压组合钢梁 （6）锚固系统的锈蚀及其防护 锚固系统的防腐蚀是很重要的，因为所有的金属都会锈蚀，并且锈蚀的严重程度取决于所处环境的自然状况。混凝土对钢材防护通常都提供了一个良好的碱性环境。混凝土完好密实的地方，其渗透性很小。若有良好的混凝土保护层（大于1520mm），几乎不会出现锈蚀。不过氯化物和硫化物离子会导致减弱碱性环境，因此，应确保它们不得加入水泥砂浆或混凝土中。 防护工作的原则是在整个锚固长度内进行防护，特别要注意锚固系统的连接处锚孔与沟槽连接处（即转弯段）以及钢绞线与承压梁接触处，都是最易锈蚀的部位。 3.3预应力加固施工要点 （1）上游锚固端钻孔及开槽 采用风钻打孔，孔径mm；钻孔方向和闸墩表面呈30o40o，而且向下倾斜30o左右，以利灌注胶体和排气。钻孔达到设计深度后首先检验孔径是否满足要求，然后进行清孔，将粉尘彻底清理干净，用丝棉封堵孔口，以免杂物进入孔内。 原闸墩钢筋保护层厚度80mm，沿钢绞线布置方向分别开槽，深约50mm，宽度根据实际情况确定，开槽原则是不扰动原受力钢筋。特别是钻孔与沟槽连接的转角部位应用样板检验曲率半径开挖到设计要求。 （2）下游张拉端承压钢梁的安装 组合承压钢梁由40b槽钢、20槽钢和钢板组成。为减小温度应力变形采用分区对称焊接，支撑槽钢在安装后焊接，最后用螺栓或钢筋焊接固定在闸墩上。 （3）预应力筋的准备及安装就位 高强、低松弛钢绞线按设计长度下料，在工厂内组装。首先将承压板与钢筋焊接后套在绞线上；然后在绞线锚固一段长度上涂防腐油脂，再套上隔离胶管；最后安装挤压锚具，并用铅丝将承压板和挤压锚具绑扎牢固。 安装前，先将捆绑钢筋的铅丝松开，以形成倒刺；将用胶量的一半注入孔内，再将绞线插入到底，放置转弯处的钢垫板，继续注胶至孔口，并用钢筋头或石子将绞线和垫板压紧，其余绞线沿沟槽铺放，下游端穿过钢梁孔口，装上锚具，准备张拉。 （4）对称顺序张拉 由于钢绞线基本上对称布置，施加预加力亦采用对称、分级循环张拉。张拉时采用2台液压千斤顶分别在对称的位置上张拉。张拉控制应力为930MPa，每根钢绞线设计张拉力128KN，考虑20﹪的预应力损失后，钢绞线的抗拉强度不低于750MPa，每根钢绞线的永存张拉力为102KN。 张拉过程中，以油压表控制应力，并量测绞线实际伸长值，作为核对预应力值。 （5）预加力效果检验 支承结构混凝土截面上的有效预应力的建立，主要是靠钢绞线作用在承压钢梁上的力对弧门支座产生的推力。由于承压钢梁自身变形会抵消部分预加力。而这部分预加力同其他预应力损失不同，可以通过超张拉进行补偿。为此，在溢洪道右边墩上进行了现场试验，10根钢绞线全部逐渐张拉到128KN时锁定，时隔1416天后进行检测，其方法是利用反力支架将每根钢绞线慢慢提起，直至用0.1毫米的塞尺在锚具与钢梁之间能插入为止，此时的千斤顶张拉荷载即为除去所有损失后的剩余荷载。检测结果列入表2。不难看出，预应力损失最大值为16，最小值为6，平均值为10。设计要求预应力损失不超过20，其预应力效果是令人满意的。 表2 右边墩钢绞线剩余荷载检测结果 绞线序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 油表示值 （MPa） 24 26 25 26 25 25 23 25 25 25 千斤顶拉力 （KN） 111 120 116 120 116 116 107 116 116 116 （6）锚固体系的防腐处理 超出锚固段的所有绞线、承压钢梁及张拉锚具均需彻底防护。张拉完成后，观察数目，如未发现异常现象，沟槽内的绞线，填充聚合物砂浆，保护层厚度不小于30mm；承压钢梁及锚具采用C30一级配混凝土将其封堵，其厚度不小于50mm。应充分振捣或压实，以保证锚具周围的混凝土密实。 值得注意的是，所有裸露的钢绞线及锚具，张拉完成后，应尽快加以保护。因为在拉伸状态下的所谓应力腐蚀过程要快得多。 4 结语 预应力技术应用于结构的修复和加固工程是一种非常有效的方法，在水利水电工程中的早期应用中，可追溯到上世纪60年代在梅山水库连拱坝加固工程上的应用。目前预应力技术水平业已发展到可以适应各种工程条件的需要，预应力荷载从几十到几万KN；预应力钢材可采用单根或多根钢丝、钢绞线或精轧螺纹钢筋；锚固方式多采用拉力型，实践中又发展了一种介于拉、压之间的复合型或改进拉、压型；或用于临时工程，或用于永久性工程。总之，预应力技术因其特有的优点使其发展很快，应用前景十分广阔，应用数量日益增多。 参考文献 [1]中华人民共和国行业标准，水工混凝土结构设计规范SL/T 191-96，北京中国水利水电出版社，1997 [2][英]T.H. 汉纳著，胡定等译，锚固技术在岩土工程中的应用，北京中国建筑工业出版社，1987 [3]傅温主编，高效预应力混凝土工程技术，北京中国民航出版社，1996 - 7 -