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碳纤维布在南江水库加固改造工程中的应用

                          碳纤维布在南江水库加固改造工程中的应用
                                              陈雯,来妙法
                           ( 浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州310002)
    摘要: 碳纤维布加固技术是一种新颖的加固方法,在民用建筑、桥梁、隧道等行业均有成功案例,但在大型水利工程中的应用并不多见。碳纤维布具有强度高、自重轻、耐腐蚀性好、对原构件扰动小、施工简便、工期短、造价低等优点,在水利工程中有广阔的应用前景。南江水库加固改造工程在闸墩、牛腿和梁板加固中均采用该技术,效果较好。
    关键词: 碳纤维布; 闸墩; 牛腿; 加固; 南江水库
    中图分类号: TVB698 文献标识码: A 文章编号: 1008-701X ( 2014) 06-0039-02
    1 ·工程概况
    南江水库位于浙江省东阳市境内,坝址位于湖溪镇岭脚村上游500 m 处,所在河流南江系钱塘江流域金华江上游支流。南江水库以灌溉、防洪为主,结合供水、发电、养殖等综合效益型水库,坝址以上集雨面积210 km2 ,总库容11 940 万m3 ,为大( 2) 型水库。水库枢纽建筑物主要由拦河坝、泄洪闸、灌溉与发电引水放空洞、发电厂及防汛公路等建筑物组成。拦河坝为细骨料混凝土砌块石重力坝,坝顶高程211. 24 m,最大坝高57. 00 m, 坝顶长202. 07 m,坝顶宽8. 00 m。拦河坝共分为11 个坝段,其中3# ~ 5#坝段为溢流坝段。溢流坝段宽60. 00 m,设6 孔泄洪闸,堰顶高程200. 24 m,设6 扇弧形钢结构闸门控制,挑流消能。
    南江水库于1969 年12 月动工兴建,1971 年7 月开始拦洪蓄水,同年12 月坝体竣工。1990 年9 月开始实施加固扩建工程,1995 年10 月完成加固扩建。2005 年12 月,南江水库大坝安全鉴定为“二类坝”。2007 年10 月南江水库加固改造工程开始施工,至2012 年底主体工程完成。
    2· 碳纤维布加固特点和参数要求
    碳纤维布是近年来在土木工程中采用的比较先进的技术材料。碳纤维增强聚合物( Carbon Fibre ReinforcedPolymer,简称CFRP) 是由环氧树脂粘聚高抗拉强度的碳纤维束而成。碳纤维布加固技术是采用高性能粘结剂将碳纤维布粘结于混凝土构件表面,使之形成具有整体性的复合截面,共同受力,变形协调,以提高结构的承载力[1]。
    碳纤维布加固技术特点: 强度高( 强度约为普通钢材的10 倍) ,与混凝土构件粘结性能好,对现有构件结构影响小; 重量轻; 可塑性好,可用于曲面和不规则形状构件;造价低( 约800 元/m2 ) ; 施工简便、工期短; 耐久性和耐腐蚀性较好,与聚脲等复合材料结合使用可达到较好的抗冲磨性能。因此,碳纤维材料在工民建房屋、桥梁等应用较广。但碳纤维材料在水利工程中,特别是在闸墩、牛腿等典型水工结构上的应用相对较少。
    碳纤维布的设计参数要求: 抗拉强度标准值≥3 000MPa,受拉弹性模量≥2. 1 × 105 MPa,伸长率≥1. 5%,弯曲强度≥600 MPa,层间剪切强度≥35 MPa,仰贴条件下纤维复合材料与混凝土正拉粘贴强度≥2. 5 MPa,单位面积质量为300 g /m2 ,纤维密度不大于5. 5 × 104 g /m3[2]。
    胶粘剂采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂,不得使用不饱和聚酯树脂、醇酸树脂等作粘结胶粘剂。胶粘剂的设计参数要求: 抗拉强度≥40 MPa,受拉弹模模量≥2 500MPa,伸长率≥1. 5%,抗弯强度≥50 MPa,且不得呈脆性破坏。
    3· 闸墩和牛腿加固
    根据结构安全复核,南江水库泄洪闸弧门工作钢闸门支座的纵向钢筋截面面积满足现行规范要求,主要问题是边墩( 缝墩) 弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝不满足现行规范要求,局部受拉区扇形受拉钢筋截面不满足现行规范要求。钢筋配置不满足要求的主要原因是规范更替后对结构安全度提高。考虑到节约投资,减少对现有结构的影响,根据专家组意见,保留闸墩和牛腿,用碳纤维布加固补强闸墩和牛腿( 见图1) 。
             
    碳纤维复合材料( CFRP) 补强设计位置的确定根据闸墩的受力特点,闸墩受拉区混凝土的设计应力一般分布在牛腿上游( 靠闸门一边) 约2 倍牛腿宽,1. 5 ~ 2. 5 倍牛腿高的范围内。根据闸墩局部受拉区裂缝控制计算成果,在受力范围内配置的碳纤维布,相应选用重量300 g /m2 的CFRP,双层条宽150 mm,净间距为150 mm 水平布置,范围为弧门支座周边5. 0 m × 5. 0 m。
    根据GB 50367—2006 《混凝土结构加固设计规范》受拉构件加固,其正截面承载力按以下公式复核:
    N ≤ fy0As0 + ffAf
    其中: N 为轴向拉力设计值,N; ff为碳纤维复合材料抗拉强度设计值,按高强度Ⅱ级取ff = 1 400 MPa; Af为应粘贴碳纤维复合材料截面面积,mm2 ; fy0为原截面受拉钢筋抗拉强度,MPa; Ay0为原截面受拉钢筋截面面积,mm2。
    经计算,碳纤维数量不少于8 条( 与扇形受拉区钢筋数量相同) ,选用重量300 g /m2 的CFRP ( 厚度0. 37 mm) ,双层条宽150 mm,长度大于2. 65 m,粘贴碳纤维时按原来受拉钢筋的配置方式,其粘贴在相应位置的混凝土表面上,且纤维方向沿着牛腿方向呈射线状布置。在碳纤维表面增加防护砂浆涂抹,以提高耐久性。
    在闸墩和牛腿的加固施工阶段,考虑保留一定的安全裕度,在根据闸墩和牛腿受力集中区域,均布置了碳纤维布,并在两端采用宽10 cm 的钢板压条。
    4 ·检修平台梁板加固
    灌溉与发电输水放空洞事故闸门检修平台梁板加固设计参照GB 50367—2006 《混凝土结构加固设计规范》和桥梁结构加固方法,在需要加固的主、次梁底部轴线位置设2条300 g /m2 碳纤维布,双层,条宽150 mm。粘贴方向与梁的轴线方向平行水平布置,碳纤维布的长度与梁跨相同,并在碳纤维布延伸长度范围内,均匀设置U 形箍,中间箍净间距0. 20 m,端部各设置1 道对端箍。对端箍宽度为200mm,中间箍宽度为100 mm,U 形箍的厚度不小于碳纤维复合材料的1 /2。U 形箍的粘贴高等为梁的截面高度,U 形箍的上端粘贴纵向压条予以锚固。在梁加固范围内,棱角应在粘贴前通过打磨加以圆化,圆化半径为25 mm。梁板横断面加固补强见图2。
            
    5· 碳纤维布的施工要求
    ( 1) 加固前应卸除混凝土构件上的大部分荷载,施工环境温度、闸墩温度必须大于5 ℃,空气湿度应小于85%。
    ( 2) 碳纤维布是施工工序: 加固区表面处理—涂刷底胶—修补整平—粘贴碳纤维布—养护固化—质量检验—防护处理[3]。
    ( 3) 碳纤维布在受力方向上应粘贴平直,不得弯曲。粘合剂必须充分渗透,排出空气。
    ( 4) 粘贴作业全部工序必须在规定的时间内连续进行,以免影响各层次的粘接效果。若两道工序施工间隔超出了规定的期限或遇雨水冲刷、结露、灰尘沾染,则应对已完成的作业面采取必要的表面处理措施后再继续施工,处理操作不得伤及纤维和粘结层。
    ( 5) 碳纤维施工结束后,表面需进行防护处理( 涂刷砂浆等) 。表面防护材料应对碳纤维和胶粘剂无害,且与胶粘剂应能可靠的粘结强度和相互协调的变形性能。
    ( 6) 工程结束均应进行现场粘接性能检验,检验结果以破坏发生在混凝土上为合格; 如破坏发生纤维层或粘合剂层,则应查明原因确定是否重新施工。
    6· 结语
    碳纤维布加固技术是一种新颖的加固方法,在工民建、桥梁、隧道等行业均有成功案例,但在大型水利工程中的应用并不多见。碳纤维布具有强度高、自重轻、耐腐蚀性好、对原构件扰动小、施工简便、工期短、造价低等优点,在水利工程中有广阔的应用前景。南江水库加固改造工程在闸墩、牛腿和梁板加固中均采用该技术,效果较好,可供类似工程借鉴。
参考文献
[1]袁海军,姜红. 建筑结构鉴定与加固手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2003.
[2]中华人民共和国建设部. GB 50367—2006 混凝土结构加固设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2006.
[3]刘小明. 碳纤维复合材料( CFRP) 加固修复混凝土结构新技术在水利工程中的应用[J]. 大坝与安全,2003 ( 1) : 49 -52.( 责任编辑:姚小槐)


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