卢家坝渡槽第一跨板拱缺陷加固处理措施

目 录1 概述11.1 工程概况11.2 板拱缺陷情况31.3 缺陷原因分析62 结构缺陷状态受力验算72.1 第三方设计院进行结构缺陷状态受力验算72.2 原设计单位进行结构缺陷状态受力验算72.3 总体结论73 加固方案对比选择84 加固方案拟定95 加固施工105.1 加固施工准备105.2 施工进度安排125.3 拱座三角体凿除与恢复125.4 环氧砂浆修补125.5 粘贴碳纤维136 质量保证措施147 安全施工保证措施148 应急措施151 概述1.1 工程概况卢家坝渡槽位于总干渠第六流量段，设计流量8.1m³/s，设计水深2.163m，加大水深2.37m，纵坡1/3000，全长1013m，本渡槽由简支梁式渡槽和拱式渡槽段组成，其中拱式部分为一个5联跨单跨70m的拱跨，和一个3联跨单跨60m的拱跨。其中5联跨70m跨上游侧为3跨板拱，下游侧为2跨肋拱结构；3联跨60m跨为肋拱结构。拱跨轴线为悬链线方程，5联跨3跨板拱拱轴线方程为，拱轴系数为m=1.756，跨度L=70m；2跨肋拱拱轴线方程为，拱轴系数m=1.885，截面变化系数n=0.5，跨度L=70m，矢高f=17.5m；3连跨肋拱拱轴线方程式为，拱轴系数m=1.756，截面变化系数n=0.5，跨度L=60m，矢高f=15m。拱圈设计混凝土为C30混凝土，拱圈上每隔5m设有排架基础承台，从拱脚到跨中承台高度逐渐变小，沿顶拱中心线对称布置。五连跨段拱结构下部基础结构共计6个，从上游至下游依次编号为A#、1#、2#、3#、4#、B#，其中A#、B#基础为拱座，1#、2#、4#基础为拱墩，3#基础为加强墩，其中2#拱墩为群桩基础，拱墩与桩基础为钢筋混凝土结构。立面布置图见图1-1，平面布置图见图1-2，断面布置图见图1-3图1-4所示。15图1-1立面图图1-2 平面图 图1-3 3跨板拱断面图 图1-4 2跨肋拱断面图1.2 板拱缺陷情况2020年5月21日水利部专家组对卢家坝渡槽进行现场检查，发现卢家坝渡槽3联跨板拱第一跨上游拱脚位置水流方向右侧板拱实测厚度为89cm，左侧实测厚度为95cm，设计厚度为100cm，分别偏差11cm与5cm，不满足规范要求。发现该问题后，参建各方高度重视，立即进行全面排查的部署。业主单位聘请的第三方检测单位（四川省禾力建设工程检测鉴定咨询有限公司、湖北省宜昌市鼎诚工程技术服务有限公司）于2020年5月27日-29日对全线所有拱圈（共14跨）的形体、高程、尺寸、混凝土强度以及钢筋开展全面检测。同时，项目部也召了开专题会议，进行原因分析并安排进行全面自查自纠。经排查，总体情况如下：（1）卢家坝渡槽第一跨板拱存在跨度与厚度缺陷（板拱厚度缺陷主要集中在上游拱脚与下游拱脚段，跨度偏大9.2cm主要由于上游拱脚板拱下侧厚度变薄所致），且板拱部分钢筋间距不合格；（2）其他13跨拱圈厚度、跨度、钢筋保护层及钢筋间距抽检均为合格。（3）卢家坝渡槽板拱缺陷具体情况。卢家坝渡槽拱圈缺陷桥跨见图2-1所示，为第一跨。第一跨板拱下游拱脚厚度缺陷沿拱轴线方向长为26cm，最小厚度为95.6cm；上游拱脚段厚度缺陷经过第三方形体测量与项目部钻孔检测分析，具体情况如图2-2所示，最小厚度为88.2cm。钻孔检测情况如照片1、2、3。（第三方形体检测报告为附件1，钢筋、强度检测报告为附件2）图2-1 卢家坝渡槽拱圈缺陷拱跨图2-2 第一跨板拱上游拱脚缺陷大样图照片1 A#拱座钻孔照片照片2 拱座顶部高程下70cm位置照片3 拱座顶部高程下70cm拱座三角体厚度为80cm，设计图纸该处厚度为81cm，不侵占拱圈结构厚度。1.3 缺陷原因分析（1）第一跨上游拱脚厚度缺陷原因分析经现场调查分析，该质量问题形成原因为施工板拱下部结构A#拱座板拱预留槽时，下游侧顶部60cm高度发生了跑模现象，导致板拱厚度方向下边线预留位置不够。施工班组在施工板拱时随着已成结构方向架设模板，逐步调整板拱厚度。左侧在沿拱轴线方向125cm处达到98cm；右侧在86cm处达到98cm，往上则板拱厚度达到设计要求。（2）第一跨下游拱脚厚度缺陷原因分析下游侧拱脚水流方向左侧板拱厚度在98cm左右，最小为97.4cm；右侧最小厚度为95.6cm,沿拱轴线往上26cm到达98cm，往上则满足设计厚度要求。经分析，产生厚度缺陷的原因为拱脚段混凝土浇筑时产生的混凝土压力较大，施工时厚度方向采用了拉筋对拉加固，并考虑了部分模板变形；但因模板加固较紧，模板变形量小，导致厚度偏差超过允许范围。2 结构缺陷状态受力验算2.1 第三方设计院进行结构缺陷状态受力验算为进一步复核缺陷状态拱圈受力情况，经参建各方同意，由第三方设计院重庆交通大学设计研究院根据第三方检测报告对板拱缺陷状态采用了公路规范进行了复核验算（附件3）。经验算结论如下：（1）报告采用了比水工混凝土结构设计规范（SL191-2008）更严格的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）与公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）两本规范相关理论对卢家坝渡槽第一跨板拱设计状态及拱圈厚度缺陷承载能力进行验算。（2）拱圈厚度缺陷状态两种计算理论承载能力安全系数相当，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）计算出最小安全系数为1.10，公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）计算出最小安全系数为1.09。安全系数较设计状态（前者1.30，后者1.11）有所降低，拱圈厚度缺陷状态拱圈承载能力满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）与公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）两本规范要求，但安全储备低，需采取相应的加固措施。（3）正常使用极限状态挠度验算满足公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）要求。2.2 原设计单位进行结构缺陷状态受力验算设计单位（四川省水利水电勘测设计研究院）根据检测报告采用三维有限元和结构力学对板拱应力和变形影响分析，最终得出结论：质量缺陷对板拱拱圈变形和应力产生的影响较小，实配钢筋满足规范要求，在后期运营中应加强观察和监测。（附件4）。2.3 总体结论经重庆交通大学设计研究院与原设计单位复核，卢家坝渡槽板拱缺陷状态承载力满足规范要求，结构安全稳定，但安全储备有所降低，需采取相应的加固措施，并在后期运行过程中加强观测。3 加固方案对比选择根据水工混凝土建筑物修补加固技术规程（DL/T5315-2014)第26页8.1.4 混凝土结构补强加固方法如下：结合卢家坝渡槽第一跨板拱跨度与厚度存在缺陷实际情况分析，可选择的加固方案有：增大截面法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材法三种方法。（1）增大截面法卢家坝板拱缺陷区域范围相对较小，为保证拱圈协同受力，若采用增大截面法则需整跨截面增大，且该渡槽为联跨，对称受力结构，因此，其他无缺陷跨也需进行截面增大。（2）粘贴钢板法的特点经粘贴钢板加固混凝土结构的开裂荷载可得到较大幅度的提高，对提高混凝土结构的抗裂性远比原结构内的钢筋有效；粘贴钢板加固的结构的抗弯刚度得到提高，挠度减小。但拱圈在各种工况下运行，拱圈会产生一定形变量，钢板加固后，影响整体正常形变，对结构会产生不利影响。（3）粘贴纤维复合材法的特点碳纤维布强度高、厚度薄、耐久性高、不增加加固构件自重及截面尺寸、不会生锈非常适合高酸碱盐及大气腐蚀环境中使用。且适合钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压构件的加固。综合比较来看，选择粘贴纤维复合材法加固处理。4 加固方案拟定（1）加固范围确定卢家坝渡槽第一跨板拱下游拱脚加固范围为1#拱墩顶高程（423.576）沿拱轴线向上50cm；上游拱脚加固范围为拱脚0#断面（422.422）往上到425.525高程。（2）加固设计计算根据混凝土结构加固设计规范GB50367-2013，10.6.2条正截面承载力应符合公式： （10.6.2-1） （10.6.2-2） （10.6.2-3） （10.6.2-4）选取最不利截面进行计算，其中最不利截面设计轴力值为41978.7KN，为计算系数，当混凝土强度低于C50时，取。根据公式代入相应设计计算参数，得结构抗力为50232KN41978.7KN，安全系数为1.20，比缺陷状态大1.10大，比原设计状态1.3小。（3）加固具体方案加固采用碳纤维布进行加固，使用碳纤维布时，先采用高强度环氧砂浆将不够厚区域补齐。涂抹环氧砂浆前将原有混凝土面凿毛，并在缺陷区域通过钻孔植筋后增加一层C815×15cm的钢筋网一层后再涂抹环氧砂浆，竖向植筋采用C14的钢筋，深入拱圈厚度方向40cm，间排距50cm，植筋露出长度根据缺陷厚度情况现场确定。环氧砂浆补齐后，根据专家建议沿拱轴线方向包裹2层碳纤维布，其中缺陷区域包裹3层，横拱轴线方向再包裹一层。碳纤维布与碳纤维布之间由树脂粘接，最后一层碳纤维布包裹之后再抹一层水泥砂浆，对碳纤维布形成保护。具体方案见附图（附件5）。（4）A#拱座三角体恢复卢家坝渡槽第一跨板拱上游拱脚位置加固时，需拆除A#拱座预留槽下游侧C25钢筋混凝土三角体，该三角体不受力，设计时为方便后期装修。三角体高度为1.5m，混凝土方量设计方量8.2m3，该部分拱座配筋为构造配筋，拆除时注意截断钢筋在同一个断面截断率不能超过50%。加固完成后，对截断钢筋进行恢复，并恢复原三角体结构混凝土。5 加固施工5.1 加固施工准备（1）人员准备采用专业加固公司（附件6：加固公司资质文件）负责第一跨板拱缺陷加固处理，人员由有资质的专业公司派遣，其中主要人员配置如下表所示。表2 主要人员准备表序号工种单位数量备注1管理人员人12专职安全员人13技术员人14质检员人15测量人26混凝土凿除工人人47环氧砂浆修补人28粘贴碳纤维人39钢筋工人210混凝土浇筑工人211焊工人112电工人113合计人21（2）设备准备该加固处理措施，主要用到的设备有空压机、风镐、等，设备及型号如下表所示。表3 主要设备准备表序号设备名称型号数量备注1空压机2m312风镐/33电焊机/14混凝土罐车8m315振捣棒A5026挖掘机1m31（3）主要材料性能参数经筛查、比选，本工程碳纤维材料拟选择山东江山纤维科技有限公司生产的碳纤维材料，材料型号为CXS300高强I级，单向，厚度为0.167mm一层。其性能如下表所示：表4.1 碳纤维材料性能要求序号项目标准要求备注1抗拉强度3400Mpa2受拉弹性模量2.3×105Mpa3伸长率1.6%4弯曲强度700Mpa5层间剪切强度45Mpa6纤维复