某水闸工程植筋技术的应用

2023-08-31牛芙蓉赵朋飞

陕西水利 2023年8期

马龙,牛芙蓉,赵朋飞

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西西安 710001）

1 引言

植筋技术是在需连接的旧混凝土构件上经过钻孔、清孔、注入植筋粘结剂,再插入所需钢筋,然后浇筑新混凝土,从而完成新旧钢筋混凝土的有效连接,达到共同作用、整体受力的目的。植筋技术在建筑物结构允许的环境下,能够起到便捷、安全和避免老混凝土受到破坏等作用,同时也能够有效地发挥抗弯、抗拉能力[1]。植筋技术布置灵活,适用范围广,目前在房建工程中应用较多。

陕西省某水库水闸,水闸主体已经施工完毕。因工况改变,下游河道最高水位超过闸门高约20 cm,需新设挡水胸墙预防下游洪水倒灌。现决定采用植筋技术,完成新浇胸墙混凝土和水闸边墙的连接。

胸墙为顺利完成浇筑及植筋需要考虑确定以下几个问题：① 胸墙的体型问题,确定胸墙的高宽；② 胸墙的受力问题,确定胸墙的配筋； ③ 植筋深度问题,确定植筋深度；④施工方法问题。明确注意事项；④ 胸墙与边墙连接可靠性问题,提出增强可靠性方案。本文以陕西省某水库水闸为例,就上述问题展开探讨分析。

2 胸墙体型

胸墙视为单跨梁,跨度4.5 m（同水闸净宽4.5 m）。为了防止下游河水倒灌入上游渠道,胸墙梁须伸入水闸闸门以下一定深度,考虑到闸门水封预压量一般为3 mm～5 mm,本次设计梁高取1.9 m。简支梁的高宽比一般为2～3.5[2],梁宽取值范围为0.54 m～0.95 m,本次取0.6 m,梁采用与水闸主体一致的C25 砼,具体见图1、图2。

图2 胸墙横剖面

3 胸墙受力分析

对胸墙而言,下游最大水深只有20 cm,水压力较小；胸墙跨中截面弯矩和支座处（胸墙和水闸边墙结合处）剪力相对较大,为控制因素。本次计算忽略下游水压力,只考虑自重均布荷载。

胸墙受力模型按不利原则考虑为简支梁,顶部受压,底部受拉。同时跨度/梁高=2.37＞2,为深受弯构件,水闸及胸墙为3 级建筑物,基本组合安全系数K=1.2。采用C25 混凝土, fc=11.9 N/mm2；保护层厚度取c=50 mm,梁高h=1900 mm,宽b=600 mm,考虑为底部三层配筋,h0=1600 mm；钢筋采用HRB400, fy=300 N/mm2。根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）计算胸墙跨中弯矩M 支座和钢筋面积AS,进行钢筋直径选择,同时校核支座处截面受剪承载力。

通过计算得出：跨中弯矩M=75.75（kN·m）,按照跨中弯矩求得受力钢筋面积AS=172.75 mm2,按照最小配筋率计算得AS=1920 mm2,本次纵向受力钢筋取7 根φ20（面积为2199 mm2）即可满足设计要求；支座处剪力设计值为67.33 kN,砼受剪承载力Vc=1426 kN,受剪承载力满足要求；梁高大于450 mm,沿梁高均匀布置构造钢筋,构造钢筋和箍筋为简便计, 同时取三级φ16@200mm, 拉筋采用φ10@400 mm×400 mm 钢筋,植筋在闸墩两侧对称布置。

4 植筋深度计算

规范明确规定[3]：植筋的锚固深度必须经设计计算确定,不可直接采用植筋粘接剂厂家手册的推荐值。应根据《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）进行植筋深度计算。植筋深度计算须依次确定基本锚固深度、深度修正系数、位移延性要求的修正系数和构造要求。

4.1 基本锚固深度

结合实际情况,防止混凝土劈裂引用的计算系数αspt=1.05,植筋用胶黏剂的黏结抗剪强度设计值fbd取2.7 N/mm2,钢筋采用HRB400, fy=300 N/mm2（轴心受拉构件）,故基本锚固深度：ls=0.2×1.05×20×300/2.7=467 mm。

4.2 锚固深度修整系数

胸墙按非悬挑的重要构件考虑,考虑结构构件受力状态对承载力影响的系数ψbr=1.15,混凝土孔壁潮湿影响系数ψw=1.1,使用环境的温度t 影响系数ψt=1.0。故：锚固深度修正系数ψN=1.15×1.1×1.0=1.265。

4.3 位移延性要求的修正系数

本工程地区属于8 度Ⅱ类地区,故考虑植筋位移延性要求的修正系数ψae=1.25）。

4.4 计算长度

ld植筋锚固深度设计值: ld（20 mm）≥ψNψaels=1.265×1.25×467 ≈740 mm

4.5 构造要求

当按构造要求植筋时,其最小锚固长度lmin应符合下列构造要求：

1）受拉钢筋锚固：max（0.3 ls；10 d；100 mm）,d 为钢筋直径,mm。

2）受压钢筋锚固：max（0.6 ls；10 d；100 mm）,ls为基本锚固深度,mm。

3）对于悬挑结构,应乘1.5 的系数。

胸墙结构属于非悬挑,顶部受压,底部受拉,构造要求最小锚固长度为：0.6 ls=0.6×467=280 mm。

4.6 植筋深度

植筋锚固深度设计值：ld为740 mm,同时按照构造要求,最小植筋长度lmin为280 mm。植筋深度取构造要求和计算值两者之中的大值。因此本次植筋深度可取740 mm。

5 施工

应选择专业施工公司进行施工,确保施工过程规范、有序。正确使用植筋技术,才能充分发挥所植钢筋的作用,从而保证胸墙的安全性。植筋技术一般工艺流程主要包括:定位、钻孔、清孔、注胶、植筋和后期养护。植筋的施工与验收应符合《混凝土后锚固技术规程》。

值得注意的是,胸墙施工时,左右侧植筋应分别进行。一侧所有植筋完成固化养护后,再进行另一侧钢筋的植入,当两侧钢筋均完成养护后,方可进行钢筋的焊接。采用单面焊接,接头长度为10 d。钢筋接头应相互错开,钢筋连接区段不小于40 d（d 为钢筋直径）,同一连接区段内钢筋焊接接头率不得大于50%。焊接时,须用冰水浸渍的湿毛巾包裹植筋外露部位的根部[2]。在完成所有钢筋的焊接及箍筋的绑扎后,方可浇筑胸墙砼。见图3、图4。

图3 胸墙配筋横剖面图

图4 胸墙配筋纵剖面图

6 胸墙与边墙的连接

新旧混凝土连接处的粘结强度远低于整浇混凝土强度,剪力较大,为薄弱环节。实际植筋时存在以下问题无法定量考虑：①钻孔对周围混凝土造成的损害；②清孔不干净会使结构胶与混凝土之间的粘结力显著下降；③植筋操作中注胶不饱满使实际锚固长度变小；④温度、湿度、振动等条件对结构胶耐久性的不利影响；⑤结构胶本身的质量稳定性的问题。

为了减小上述不利因素带来的影响,设计上可考虑加长植筋深度,或者增加构造措施以增强植筋的可靠性,增加安全储备。为增强后浇胸墙与边墙的整体性,本次提出以下三个方案。

（1）方案1

凿毛胸墙与闸墩边墙衔接处,顶部凿毛100 mm,底部凿毛50 mm,形成楔形体,嵌入原闸墩边墙,这种方法可使部分胸墙自重自传递到边墙上,从而减小跨中弯矩,进而减小梁底部钢筋所受拉力。见图5。

图5 胸墙植筋纵剖面图（凿毛）

楔形凿毛对顶部砼破坏较多,因此顶层钢筋保护层厚度应在原有50 mm 的基础上适当增大,以保证钢筋拔出时,钢筋和砼发生整体破坏。同时植筋钻孔应避开闸墩边墙原有钢筋,本次设计胸墙顶部第一排钢筋砼保护层厚度取150 mm,使得胸墙顶部第一排钢筋刚好位于已浇闸墩竖向2 排钢筋的中间。

使用这种方法会对原混凝土构件产生一定的破坏,且存在一定施工难度。

（2）方案2

原方案胸墙配筋,在中间排只有2 根钢筋,钢筋间距为500 mm,在满足规范最小植筋间距s ≥5d（110 mm）的情况下,植筋可适当加密。现中间排钢筋增加至三根,新增加的钢筋错行布置,避免局部植筋过密。新增钢筋不是通长钢筋,对于跨中弯矩没有帮助,但可以增加胸墙和边墙的锚固,起到类似锚杆的作用。见图6。

有条件时,可将植筋在新浇砼内做成弯钩,进一步增强植筋可靠性。

（3）方案3

可借鉴《混凝土结构设计规范》中关于钢筋锚固方面的规定,钢筋穿透需植筋的构件,在构件的表面加一块钢板,钢筋末端与钢板穿孔塞焊,焊接完成后,采用压力注胶的方法,将钢板粘在柱子的表面,见图7。

方案3需要构件在加钢板时,需要边墙一侧具备施工面。实际工作中,很多构件植筋另一侧已浇筑砼或埋在地下,植筋不具备穿透构件或加钢板的条件,外加钢板焊接对建筑美观性也有一定影响。

三个方案可根据实际情况灵活采用,方案1 和方案2 可作为通用构造措施,方案3 有一定局限性,不适合对美观有要求的建筑。

本工程水闸位于某著名景点,考虑到美观性,本次不考虑方案3,同时采用方案1 和方案2,目前植筋效果良好。