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特种结构——水塔加固

特种结构——水塔加固

1引言

钢筋混凝土水塔作为高耸构筑物,由于设计、施工等原因都会使水塔产生裂缝,特别是由于施工质量和施工管理方面存在的问题,造成水塔产生裂缝的情况时有发生。本章通过海儿洼水库进水塔加固工程、乌海钢筋混凝土倒锥壳水塔支筒在施工完毕后产生的裂缝的实例,分析裂缝产生原因,阐述水塔的裂缝处理的基本方法及加固方案。

2西铁宝鸡房建给水所水塔震害加固

施工环境与地质条件简述

绛帐水塔位于绛帐车站货场内,该水塔为一砖支筒,容量50m3,高24m,砖支筒在距散水3.65m 处被地震波剪断。水塔四周被砖围墙封闭在狭小的空间内,给施工带来诸多不便,没有施工场地,钢筋的堆放和钢筋笼的制作只能在一小院子里进行,建筑垃圾随运出随拉走,在地面下有多条电缆、管沟。

从灌注桩开挖的地层看,地层与工程地质勘察报告相符,表层为人工填土,以下为厚层黄土,在建筑结构深度内,未发现地下水。

施工方案

根据水塔结构和震害情况,对支筒剪切破坏面采用内外槽钢加固方案,每一付槽钢设计三个螺栓,水塔上部的荷载通过槽钢向下传递,为使剪切面以下的支筒部分承受的荷载减少,在支筒外部增设一圈钢筋混凝土支筒,该支筒与原砖支筒用钢筋螺杆相连,为了不破坏原砖支筒的结构,新增设的钢筋混凝土支筒与新的钢筋混凝土承台相连接,承台位于原散水下的人工填土地层内。

在新增设的钢筋混凝土承台四周增设八个钢筋混凝土灌注桩,采用人工成孔,机械灌注,桩顶进入承台10cm

部分设计值:

钢筋混凝土支筒强度为: C30

钢筋混凝土灌注桩桩身强度为: C30

钢筋混凝土承台强度: C30

小结

(1)本次施工对象为受汶川受震害影响的西铁宝鸡房建给水所,工程的成功完成为类似受震害影响建筑修复或加固提供了宝贵的实例经验。

(2)众所周知,对于已经受震害影响的建筑,对其进行加固或修复,主要技术要求就是提到更高级的强度标准,为达到这点,选用高一级强度材料是一方面,更重要的是做到在施工中从小处从细处着手。

3海儿洼水库进水塔加固方案

工程概况

海儿洼水库位于宣化县城南20km 的海儿洼村老龙沟峡谷处,水库始建于1972 年。拦河坝为浆砌石拱坝,泄洪底孔位于拦河坝中线处,洞身为钢筋混凝箱形管道。进水塔基础坐落在基岩上,进口设计底高程为51.0m,泄洪底孔进水塔为钢筋混凝土框架结构,顶部设检修平台和启闭机平台, 检修平台高程76.0m,设工作桥与拱坝坝顶相连。经过三十多年的运用,进水塔上部结构表面混凝土碳化痕迹明显,检修平台及启闭机平台板表面混凝土龟裂、剥蚀脱落、露筋现象较为严重,框架柱水泥砂浆抹面出现众多龟裂纹,甚至局部起鼓。检修平台框架梁体底面混凝土保护层产生沿主筋方向的裂缝,裂缝宽度较大;梁体侧面混凝土严重碳化、脱落,风化面粗骨料出露,显示骨料粒径偏大,级配较差;梁体顶面混凝土保护层部分脱落、主筋外露锈蚀。启闭机平台梁有多处裂缝,导致结构强度偏低。针对以上情况,需对检修平台及启闭机平台板、梁进行补强加固。

碳纤维加固机理简介

碳纤维布加固技术最早起源于德国、瑞士,在20 世纪80 年代后期,碳纤维复合材料被用于加固混凝土结构。目前混凝土加固常用方法有很多,如:增大截面法、置换混凝土加固法、外包钢加固法、粘钢加固法、粘贴纤维复合材加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能,粘贴纤维复合材法具有强度高(抗拉强度高于普通钢材十倍以上)、比重轻、耐久耐腐性好、施工便捷、技术成熟等优点。其基本原理是将抗拉强度极高的碳纤维用特殊环氧树脂胶预浸成为复合增强片材,沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的混凝土的表面,使碳纤维布与混凝土能够形成一个新的复合性整体,使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同工作,从而提高结构的强度和刚度,增强抗裂性和延伸性,达到对结构构件进行加固、补强的目的。

碳纤维布加固设计

对梁正截面加固,先在梁体底面粘贴一层30cm 宽碳纤维布,指触干燥后,再粘贴一层50cm 宽碳纤维布(两侧面各10cm),碳纤维布的纤维方向必须与梁轴线方向一致,沿纤维方向的搭接长度不小于15cm,粘贴时各层碳纤维布需错缝粘贴。

对梁斜截面抗剪加固,采用碳纤维布在梁两端粘贴垂直于梁轴线方向的U 型箍,并在梁顶部粘贴纵向压条。U 型箍的宽度,端箍为20cm宽,中间箍为10cm 宽, U 型箍的间距为10cm。纵向压条宽10cm,长100 cm。

设计采用的碳纤维布单位面积重量为300 g/m2,厚度0.167mm。碳纤维粘贴采用碳纤维配套树脂(环氧树脂),主要施工工艺如下:

(1)混凝土表面处理

在粘贴碳纤维的部位进行打磨,影响粘贴的钢筋头和混凝土突起处要用砂轮切掉,直至打磨出坚实面。混凝土表面破损部位采用TB-Ⅲ砼宝填平修复平整,转角粘贴处需打磨成圆角,其半径不小于20mm。打磨平整后,用压缩空气吹尽混凝土表面浮灰,保持碳纤维片的粘贴基面干燥清洁,光滑平整。若混凝土表面存在油污,应采用棉丝和丙酮去除。

(2)粘贴碳纤维布

按照使用说明配制胶粘剂,混合后要充分搅拌均匀。调好的底胶应随用随配,每次配制量应在40 分钟内用完。涂刷时不要太厚,要求涂刷均匀,不要遗漏。

用刮板将调合均匀的胶粘剂均匀的涂刷在底胶上需粘贴碳纤维布的地方,涂量标准为:500~600g/m2;随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位,然后用专用滚子顺着纤维沿一个方向滚压多次,去除气泡和褶皱,并使粘结胶充分浸入碳纤维布中,滚压时不得损坏碳纤维布。待指触干燥后,即可进行第二道碳纤维布的粘贴,方法同第一道。

碳纤维布粘贴完成,待指触干燥后,再用滚筒刷均匀刮涂一层粘结胶,涂量标准为:300~200g/m2。在胶体固化前应全面检查粘贴质量,如发现有局部空鼓现象,可用注射器注入粘结胶补充粘贴。为了防止碳纤维布老化,使碳纤维布表面的颜色与原混凝土接近,碳纤维布粘好后,在其表面涂刷一层TB-Ⅱ砼宝防碳化涂料。

(3)养护及验收

粘贴碳纤维片后需自然养护24 小时达到初期固化,达到设计强度所需自然养护的时间:平均气温在10℃以下时,需要2 周;平均气温在10℃以上时,需要1 周。在此期间应防止碳纤维贴片受到硬性冲击。

验收标准:碳纤维片粘贴要密实,目测检查不许有剥落、松弛、翘起、褶皱等缺陷。涂刮层平整,无沙眼、无起鼓、无开裂、无漏刮处。固化后的贴片与结构混凝土间的粘着状态、粘结胶固化状况良好。

因此粘贴碳纤维布加固技术在海儿洼水库进水塔加固工程中的应用,充分发挥了碳纤维复合材料所特有的高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗疲劳等许多优点,而且基本不增加原结构自重及原构件尺寸;进水塔作为高耸结构,施工场地小,现场无法安装固定较大施工设施,采用碳纤维布加固,施工时,仅使用了简单的脚手架,即可满足安全及施工要求。由此可见,碳纤维布加固技术优点明显,在实际工程中显示出了较大优势。

4水塔支筒裂缝处理及加固方案

工程概况    乌海钢筋混凝土倒锥壳保温水塔修建在乌海火车站,容积500m3,有效高度32m,图纸选用国家标准图(89S842)。水塔采用滑升模板法施工,基础采用钢筋混凝土锥壳基础,于2001年建成。在施工完毕后的水箱试水过程中发现支筒出现裂缝,经过检查、测试,经研究提出处理方案,采取裂缝处理加固措施后,于2003年投入使用,现使用情况良好。

裂缝出现及原因分析

2000年5月底,开始施工水塔的支筒,在滑升施工过程中,曾发生混凝土被拉裂,出现水平( 环向)裂缝。这些裂缝有的在千斤顶回油时愈合,有的采用砂浆修补,但当混凝土凝固后仍出现水平裂缝。其分布情况是在地面25m 以下较少,特别是在地面高度26-27m 处较多。由于正值中午,施工停止时间约1h 40min,气温32℃,下午复工后滑升时混凝土被拉断并连同环向钢筋一起被模板带走,在拉空处只有竖向钢筋,其拉空的高度为100-600mm。后采取措施将模板内的混凝土挤出,并用相同强度等级的混凝土摔入被拉空处,用木棍捣实。在施工完毕20d后又将第2 平台处凿开补埋塔内平台的预埋铁件,使上部混凝土受损严重。2001年11月20日进行水塔注水试验,24日发现在26-27m处出现混凝土酥裂后,立即放水停止注水试验,当时水柜已注入水300m3。

根据发现的裂缝沿支筒环向划分为A、B、C、D,4个区域,将前述的各种裂缝分布情况绘制出支筒内侧裂缝分布示意图(图1)。使用回弹仪对裂缝附近进行混凝土强度的检测。在高程21.0m处(第6层平台)及以下混凝土强度等级只有很少检测点,未达到要求,绝大多数检测点都能满足C30 要求;在高程26.0-27.5m处(第2 层平台)有较多的检测点不能满足要求。

图片251.png 

图1 水塔支筒内侧裂缝分布示意图

裂缝原因分析为以下5点:

(1)滑升模板法施工操作不当。水塔支筒滑升模板法施工,一般应采用连续施工( 三班制),施工过程中不宜中间停工。特殊情况中途停止,滑升时间也不宜过长,并且要采取相应的措施,防止混凝土粘在模板上,如减小模板阻力措施、混凝土加缓凝剂等,防止混凝土粘模拉断情况的发生。

(2)混凝土缺陷处理方法粗糙。在产生滑模拉断后,本应妥善处理,将被带去的混凝土清除弃用,按照规定进行截面的接茬处理,使新旧混凝土很好地结合为一体。

(3)支筒滑升过程中应保持模板提升速度同步,提升量相等,否则将会产生环向裂缝。

(4)气候炎热干燥、日照影响和混凝土养护差将产生混凝土表面裂缝。

(5)混凝土用量过多将造成混凝土收缩加大,产生裂缝。经查询,支筒混凝土强度等级(C30),现场采用强度等级40MPa, 普通水泥,每m3混凝土中水泥用量为450kg左右,虽然混凝土强度多数满足要求,但难免出现收缩裂缝。

根据上述,水塔支筒施工中出现的裂缝和产生的缺陷是严重的,它将影响结构的安全,必须进行裂缝和施工缺陷处理后,再进行加固。

加固方案

1.贴壁加固方案

沿支筒外表面和高程20.00m 至环梁的内表面灌筑C35钢筋混凝土筒套,其厚度为150mm,并根据受力情况配筋。在内外两侧的加固混凝土要适当与原支筒混凝土壁及上、下环梁进行锚固,使新旧支筒相互连接加固构造。

该方案的优点是,外观为光滑圆筒状看不出加固处理后的迹象,保证结构安全。可经过有关部门鉴定或施工单位认为有可靠的施工安全保障措施时可采用此方案。考虑到加固处理后的美观效果,施工单位和建设单位选用了此加固方案。

2.框架加固方案

沿支筒外表面设钢筋混凝土框架进行加固,可设4根框架柱和沿高度设环形框架梁,梁高程分别为4.800,8.800,12.800,16.800,20.800,24.800,29.800m,混凝土强度等级为(C40)。框架结构采用膨胀螺栓与原支筒结构连为一体,使其能共同受力。要求上部环梁和下部框架柱分别与原水箱环托梁和基础壳顶环梁连为一体或锚固。在支筒顶部严重缺陷和裂缝处理后用钢丝网水泥30mm厚或细石混凝土罩面,强度等级不低于35MPa,,其位置在高程20.400-29.800m处的支筒外表面。

此方案的优点是,可待框架结构达到强度后再处上部的严重裂缝部分,可保证施工时水塔结构安全。但处理后的外表面显示出框架部分,外表不够光滑美观。本方案最终未采用。

3.加固材料

水泥选用32.5级普通硅酸盐水泥;混凝土所用的石子宜采用坚硬的卵石或碎石,最大粒径不宜大于20mm。

4加固施工要求

(1)施工前应进一步详细检查支筒外表面的混凝土质量,特别是要对支筒上部缺陷和裂缝严重的部位进行超声探伤检查,查清混凝土内空洞和蜂窝情况,裂缝的深度、宽度和强度。

(2)加固前对拟处理的支筒外表面的涂料清理干净,无涂料者原有混凝土表面应冲洗干净,保证新旧混凝土的粘结质量。

(3)混凝土加固施工要求:混凝土套筒或框架施工前应凿毛外表面并清洗干净;对混凝土缺陷和裂缝严格按要求进行处理;沿支筒外表面、新旧混凝土连接的部分打入Φ16*160mm膨胀螺栓,其间距梁柱为300-400mm,套筒为400-500mm;新浇筑的混凝土中的钢筋应与膨胀螺栓绑扎牢固或点焊;新浇筑混凝土上部的环梁应与原水箱环托梁连接,混凝土振捣密实与环托梁连为一体。

因此不难得出以下三点结论:

(1)钢筋混凝土水塔为高耸特种构筑物,其设计和施工均有严格的要求,应由专业队伍施工,并应严格按规范精心操作。

(2)水塔支筒施工严禁产生裂缝。若产生裂缝则应分析其原因,并采取可靠的处理措施。

(3)加固方案既要考虑安全可靠性,又要考虑美观和造价。