孫超君， 曹 猛， 王翹楚， 楊 澤

(江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022)

牛腿是節(jié)制閘的1個重要構件，雖然其尺寸較小，但承擔了來自上部工作橋結構的豎向荷載和水平荷載，且電動葫蘆等電氣設備工作時設備的荷載均通過工字鋼軌道傳遞給支撐牛腿再傳遞給下部承重結構，應力分布復雜[1]。導致牛腿裂縫和混凝土剝落的原因很多，為保證工程運行安全，對存在裂縫問題的牛腿進行詳細檢測，分析其存在原因并進行加固處理是必要的。本文以秦淮新河節(jié)制閘為例，對牛腿裂縫檢測及加固處理技術進行探討。

秦淮新河水利樞紐建成于1982年6月，位于南京市雨花臺區(qū)經濟開發(fā)區(qū)天后村秦淮新河入江口處，與武定門水利樞紐共同擔負著流域2 631 km2內的南京、鎮(zhèn)江兩市的江寧區(qū)、溧水區(qū)、句容市及南京郊區(qū)的防洪、排澇、灌溉、水環(huán)境改善及航運等任務。秦淮新河節(jié)制閘共12孔，設計排洪流量800 m3/s，校核排洪流量1 100 m3/s，工程規(guī)模為大(2)型[2]。節(jié)制閘每孔凈寬6 m，閘孔凈高9.5 m，閘身總長87.3 m，閘身為鋼筋混凝土結構，三孔一聯(lián)平底板，閘門為直升式平板門，分上、下扉，上扉門為鋼筋混凝土梁柱鋼絲網水泥波形面板結構(門頂以上為鋼筋混凝土胸墻)，下扉門為鋼筋混凝土梁板結構，用2×125 kN電動卷揚式啟閉機啟閉，底板采用直徑1.0 m、深3.0 m砂樁基礎，底板前后設有防滲板樁。

2019年汛后檢查發(fā)現(xiàn)，節(jié)制閘12號孔牛腿出現(xiàn)1道縱向裂縫(圖1)，從牛腿承壓面指向牛腿外邊緣。裂縫對牛腿本身的剛度、抗壓強度、抗拉強度等都會產生影響，并可能導致結構行為發(fā)生應力重分配，造成進一步的破壞；另外，裂縫對牛腿結構耐久性也會產生不利影響，加速混凝土的碳化，從而縮短牛腿的使用年限。為進一步查找開裂原因，為加固處理提供可靠依據，對牛腿進行全方位的檢測。

圖1 12號孔牛腿裂縫示意圖

1 現(xiàn)場牛腿檢測情況

1.1 混凝土強度檢測

依據《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352—2006)和《水利工程施工質量檢驗與評定標準》(DG/TJ08—90—2014)，在不破壞原混凝土結構的前提下，采用回彈法檢測牛腿混凝土現(xiàn)齡期抗壓強度[3]。抽檢5個牛腿，在抽檢的每根構件上分別均勻布置10個面積約200 mm×200 mm的回彈測區(qū)(見圖2)，分別測試其回彈值，每個測區(qū)布設16個回彈點；再根據超聲波波速情況，選定回彈測區(qū)，對混凝土強度進行修正。

圖2 牛腿回彈測區(qū)分布示意圖

根據規(guī)程，構件混凝土強度推定值按式(1)確定：

fcu,e=mfcu,e-1.645Sfcu,e

(1)

式中，fcu,e為構件混凝土強度推定值，MPa；mfcu,e為測區(qū)混凝土強度換算值的平均值，MPa；Sfcu,e為構件混凝土強度換算值的標準差。

根據檢測記錄，依據規(guī)程從測區(qū)的16個回彈值中剔除3個最大值和3個最小值[3]，換算結果如表1所示。結果表明，牛腿混凝土整體現(xiàn)齡期抗壓強度為23.8～38.3 MPa，滿足原圖紙中的設計強度等級250#混凝土(按照舊標準《混凝土結構設計規(guī)范》(TJ10—89)的換算關系，設計強度等級為C23)要求。

表1 混凝土抗壓強度

2.2 混凝土腐蝕情況檢測

因為12號孔牛腿有裂縫，采用Resipod混凝土電阻率測試儀對12號孔牛腿混凝土的腐蝕情況進行檢測。將12號孔牛腿表面防腐涂層清理后，用砂紙清理混凝土表面浮灰，并將裂縫處混凝土碎渣清理干凈。對2個外部探頭施加電流，測量2個內部探頭之間的潛在差異，得到電阻率值，結果見表2。

《混凝土中鋼筋腐蝕檢測技術規(guī)程》(DB34/T1929—2013)中規(guī)定：當電阻率大于100 kΩ·m時，即使混凝土在高氯含量或已碳化情況下銹蝕速率也極低；當電阻率值范圍在50～100 kΩ·m時，鋼筋活化狀態(tài)下，出現(xiàn)低速率銹蝕；當電阻率值范圍在10～50 kΩ·m時，鋼筋活化狀態(tài)下，出現(xiàn)中速率銹蝕；當電阻率值小于10 kΩ·m時，電阻率已不是銹蝕的控制因素。

表2 12號孔牛腿混凝土電阻率以及腐蝕速率

由檢測結果看出，12號孔牛腿測區(qū)上部的電阻率范圍為107.6～240 kΩ·m，腐蝕速率極低；中部電阻率范圍為12.5 ～218 kΩ·m，有一個測點處于中銹蝕速率，其余測點腐蝕速率極低；下部電阻率范圍為34.9～220 kΩ·m，有一個測點處于中銹蝕速率，其余測點腐蝕速率極低。

2.3 混凝土裂縫情況檢測

超聲波檢測法屬于無損檢測，是目前較為先進的檢測技術之一，且儀器輕便，在工程項目中使用較為便捷，所以在工程研究中得到廣泛應用。采用超聲波檢測儀，測量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度、首波幅度和接收信號主頻率等聲學參數，根據這些參數及其相對變化，判定混凝土中的缺陷情況。

對12號孔牛腿裂縫深度進行檢測，結果見表3。檢測結果表明，12號孔牛腿測區(qū)上部的裂縫深度范圍為14～40 mm，中部的裂縫深度范圍為19～117 mm，下部的裂縫深度范圍為21～54 mm。

表3 12號孔牛腿裂縫深度情況

3 牛腿承載力復核分析

根據規(guī)程，為滿足裂縫控制要求，牛腿頂部按照荷載效應標準組合計算的豎向力與水平拉力值應滿足如下關系：

(2)

式中：Fvk為作用于牛腿頂部按照荷載效應標準組合計算的豎向力值，kN；Fhk為作用于牛腿頂部按照荷載效應標準組合計算的水平拉力值，根據該工程實際，僅考慮吊車靜止于跨中進行起吊，無水平拉力取值為0；a為豎向力作用點至下柱邊緣的水平距離，考慮安裝偏差20 mm；β為裂縫控制系數，支承吊車梁的牛腿取0.65；b為牛腿寬度，mm；h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度，mm。

12號孔牛腿結構示意圖見圖3。

圖3 12號孔牛腿結構示意圖

根據該牛腿構造，在豎向力作用下，牛腿支承面上局部受壓應力不應超過0.75fc，即：

Fvk/A≤0.75fc

(3)

根據規(guī)范，縱向受拉鋼筋應該滿足：

(4)

式中，F(xiàn)v為作用在牛腿頂部的豎向力設計值，F(xiàn)h為作用在牛腿頂部的水平拉力設計值。

根據該部牛腿構造，承載力需要滿足：

(5)

式中，fy取210 MPa，h0=h1-as+c·tanα，其中h1=300 mm，as=20 mm，c=700 mm，tanα=0.285，h0取480 mm，a取600 mm。

根據牛腿最小配筋率0.2%進行安全復核，節(jié)制閘檢修閘門起吊時，采用2×3 t雙吊點電動葫，最大起重重量為：

Fv,max=2×30kN

因此，牛腿的承載力是符合要求的。

4 牛腿裂縫原因分析及加固處理方案

4.1 裂縫成因分析

綜合現(xiàn)場檢測、數據處理、計算及理論分析，12號孔牛腿的混凝土強度、混凝土腐蝕速率及承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。綜合分析該節(jié)制閘牛腿出現(xiàn)裂縫的主要因素為：12號孔牛腿為大型節(jié)制閘邊墩，在吊裝檢修閘門時承擔的承載力最大，使用電動葫蘆時的牛腿受到的偶然荷載過大，在牛腿內部產生附加應力，從而導致牛腿表層混凝土開裂，應及時處理。

4.2 加固處理方案建議

裂縫的存在威脅混凝土內部的鋼筋銹蝕，對結構的耐久性極為不利，需要進行及時處理。如果裂縫較淺，通常處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿，環(huán)氧膠泥或粘貼纖維布等；如果裂縫較寬，或有繼續(xù)發(fā)展增大趨勢時，宜采用灌漿法或嵌縫封堵法[4]。經檢測，節(jié)制閘12號孔牛腿縱向裂縫最深處達117 mm，釆用滲透結晶、灌漿等方法難以滿足修復，應采用置換混凝土加固法或外包鋼加固法加固。

4.2.1 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法主要是針對既有混凝土結構或施工中的混凝土結構，由于結構裂損或混凝土存在蜂窩、孔洞、夾渣、疏松等缺陷，或混凝土強度偏低，而釆用挖補的辦法，用優(yōu)質的混凝土將這部分劣質混凝土置換掉，達到恢復結構基本功能的目的。用于置換的新混凝土，流動性應大，強度等級應比原混凝土提高一級，不小于C25置換混凝土應采用膨脹混凝土或膨脹樹脂混凝土；當體量較小時，采用細石膨脹混凝土、高強度灌漿料或環(huán)氧砂漿等。

4.2.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法是一種廣泛采用的混凝土構件加固方法，主要應用于不允許增大原構件截面尺寸，且有大幅提高截面承載能力需求的框架梁、柱、牛腿等大型結構或大跨結構的裂縫修補。通常采用型鋼或鋼板外包在原構件表面、四角或兩側，并在混凝土構件表面與外包鋼縫隙間灌注高強水泥砂漿或環(huán)氧樹脂漿料，同時利用橫向綴板或套箍為連接件，以提高加固后構件的整體受力性能。

為保證工程安全，采用置換混凝土法與外包鋼加固法相結合的方案。加固處理方案如下：(1)清理牛腿遭受損壞的部分，鑿除已損壞的混凝土，清除表面污物；(2)對混凝土嚴重損壞部分先采用體外預應力錨筋加固處理；(3)采用強度高一等級的混凝土進行修補加固；(4)牛腿兩側外包鋼板，并在混凝土構件表面與外包鋼縫隙間灌注高強度水泥砂漿或環(huán)氧樹脂漿料；(5)對全部牛腿表面進行防碳化處理，提高其耐久性。

5 結 語

(1)工程通過采用回彈法、混凝土電阻率測試法、超聲波檢測法等無損檢測技術對牛腿進行了檢測，對牛腿工作狀況有了全面的了解，為下一步裂縫處理提供了可靠依據。

(2)牛腿加固處理時，應注意新老混凝土結合面的處理，確保結合面強度滿足要求。加固完成后，應對牛腿再次進行檢測，確保各項指標滿足要求，運行時應密切觀察牛腿外觀變化，確保安全。

(3)大型水閘的邊墩牛腿在設計時應合理調整設計參數的取值范圍，提高邊墩牛腿承載力的設計值，可結合實例開展模型計算研究，為類似工程設計提供可借鑒的經驗。