高空工程大体积混凝土结构后锚固技术研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER90第 40卷第 2期0 引言近年来，全国基础设施建设开始进入大发展时期。随着建筑结构的日趋复杂和工程技术的提高，使得原有结构由于其使用标准要求低、某些使用功能需要调整，建造时间过久等已不满足结构安全及功能需求等问题更加突出。在已有结构基础上进行改造无疑是一种既节能环保又经济适用的解决方法。后锚固植筋技术因其安全可靠、布置灵活的特点在水电改造及扩建工程1中得到广泛应用。水电改造工程中常因高空施工环境复杂，且自身大体积混凝土结构特点，限制因素多导致施工困难。主要围绕高空条件下水电改造工程中的锚固植筋施工方法展开详细研究，并对应用实例进行分析。1 高空后锚固技术1.1 技术原理后锚固技术采用传统高强度粘合剂为基础，高空工程大体积混凝土结构后锚固技术研究郭重阳，王坤，唐腾飞，龙益彬（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）摘要：后锚固技术是一种广泛应用于改造及扩建工程中的重要技术，具有节能环保、经济适用等特点。水电工程因其大体积混凝土结构使改造工程大多处于高空环境而导致施工困难，重点针对水电改造及扩建工程中因高空施工环境复杂，限制因素多而导致的施工过程难度大、风险高，施工质量、进度及安全不可控的问题展开研究，并通过应用实例表明：其在高空作业下制造了安全施工全过程闭环，且对植筋技术进行改造，具有良好的推广应用价值。关键词：高空作业；已有大体积混凝土结构；后锚固植筋技术；三角形结构；注胶技术；接触面浸润程度中图分类号：TV331文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0090-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.022Research on Post Anchorage Technology for Large Volume Concrete Structures in High Altitude EngineeringGUO Chongyang,WANG Kun,TANG Tengfei,LONG Yibin(Power China Guiyang Engineering Corporation Limited,Guiyang 550081,China)Abstract:Post anchoring technology is an important technology widely used in renovation and expansion projects,with characteristics such as energy conservation,environmental protection,and economic applicability.Due to its large volume concrete structure,most of the renovation projects in hydropower projects are located in high-altitude environments,resulting in construction difficulties.This paper focuses on the complex high-altitude construction environment and multiple limiting factors in hydropower renovation and expansion projects,which lead to difficulties and high risks in the construction process,as well as uncontrollable construction quality,progress,and safety.Practice has shown that it creates a closed-loop safety construction process in high-altitude operations,and transforms the planting reinforcement technology,which has good promotion and application value.Keywords:working at height;existing large volume concrete structure;post anchoring and planting reinforcement technology;triangular structure;glue injection technology;contact surface infiltration degree收稿日期：2023-01-08作者简介：郭重阳（1991-），女，河南卫辉人，工程师，主要从事水工结构设计相关工作。*郭重阳，王坤，唐腾飞，龙益彬 高空工程大体积混凝土结构后锚固技术研究91将带肋钢筋固定于混凝土结构钻孔中，通过粘结作用，以实现对被连接结构的锚固，将已有混凝土结构与锚固结构实现有效连接，促进两者紧密结合2。其传递机理为，外荷载通过新增被连接结构传递给植筋承力结构，然后通过植筋钢筋传递给植筋粘结剂，植筋粘结剂将荷载沿植筋长度方向传递给已有混凝土结构上，以此共同发挥作用3。单根植筋锚固的承载力设计值计算如下4。Ntb=fvAs （1）式中：Ntb植筋钢材纵向受拉承载力设计值，kN；fv植筋用钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2；As植筋截面面积，mm2。钻孔深度即受拉钢筋锚固最小锚固长度计算公式如下5。ld Nels （2）式中：N考虑各种因素对植筋受拉承载力影响需要加大锚固深度的修正系数；e考虑植筋位移延性要求的修正系数；ls植筋的基本锚固深度，计算如下：ls=0.2SDtdfv/fbd；SDt防止混凝土劈裂引用的计算系数；d植筋公称直径，mm；fbd植筋用胶粘剂的粘接抗剪强度设计值。这种传递机理主要靠带肋钢筋与植筋胶以及植筋胶与混凝土之间的粘结作用实现的，它主要取决于植筋胶与钻孔之间的接触面的浸润程度，由于植筋胶稠度较大，注胶极易产生孔内分布不均，内外凝固程度有差异，内部出现空隙等现象，因此注胶质量十分重要。施工过程中采用的植入式悬挑扣件式钢管脚手架是利用已有结构的边缘向外部延伸的悬挑构造支撑外部脚手架，将脚手架的荷载传递给已有结构。它主要由斜撑立杆、小横杆、大横杆和拉筋等组成，是将盘扣式模板支撑架最上一步立杆为支撑，利用竖向斜杆悬挑出结构板，与脚手架底部横杆、立杆连接盘扣接，形成稳定的三角形结构。1.2 施工工艺高空后锚固施工工艺见图 1。1.3 施工重难点分析1）注胶技术。孔内注胶应密实无空洞，不可带入空气。但植筋胶极易凝固，因此需要将植筋胶一次灌注到位，但注胶速度一旦过快，极易掺入空气。常用的注射筒极易产生不均匀胶体，该工程采用两段镂空的导管形式预注入后，再将导管深入孔底，缓慢推入排出空气，直至注满整个钻孔。2）钢筋焊接与植筋顺序。焊接产生的高温对植筋承载力将产生不利影响。因此植筋钢筋应先进行焊接再进行植筋，如在植筋后不可避免进行焊接时，落弧点应尽量远离胶层。如焊接点与胶层距离小于 200 mm，应采取有效降温措施6。3）植筋位置确定。当改造结构钢筋布置较密时，使用钢筋探测器也不可避免与原混凝土结构钢筋产生冲突。当发生这种情况时应该调整植筋位置，移动两倍孔径另选位置。当钻孔打到原有钢筋时，应先进行清孔，再采用高强度水泥砂浆进行回填抹平。4）植入式悬挑式脚手架的拆除。拆除前，必须将架上的管路、线路、材料及设备等拆除并搬运到地面指定位置，一定要按照“先搭后拆，后搭先拆”的原则逐步、逐层、逐件地进行7；拆除时，一步一清，不准上下同时作业。拆除支撑架大横杆、剪刀撑、应先拆中间扣，再拆两头扣，吊中间操作人往下顺杆子，上栏杆上层高度 1.2 m，中栏杆居中设置。最后拆下的脚手杆、脚手板、钢管、扣件、钢丝绳等材料，应向下传递或有绳吊下，禁止往下投扔。2 实例分析2.1 工程概况以某水电站坝后交通改造工程为例进行分析。该水电站坝后交通系统为钢梯结构，已运行 15 a图 1 高空后锚固技术施工工艺图?92云南水力发电2024 年第 2 期之久。硫对不锈钢的腐蚀性比较强，经过室外长年的风吹雨淋及泄洪雾化等作用，钢梯表面锈蚀严重，存在较大安全隐患。据不完全统计，2021年汛期闸门启闭约 100+次，目前坝后交通系统为连接中孔启闭机室与外界的唯一通道。水电站防汛安全至关重要，因此钢梯结构的不可靠性将对现场运维人员的安全生产造成严重威胁；此外每年对钢梯的安全检查和维护投入也十分巨大，因此为减少钢楼梯维护支出，改善坝后交通现状，优化运维条件，需要在河流上方 60 m 高度下采用后锚固植筋技术对坝后交通系统进行改造。按照现有坝后交通布置方式及现状，将坝后交通从坝顶至大坝集水井井筒平台从上而下对 5 个梯段进行改造，将原钢梯改造为钢筋混凝土楼梯。2.2 施工要点2.2.1 植入式悬挑式脚手架的搭设采用拉结筋将斜杆与已有结构连接固定，脚手架斜撑立杆一端做 45坡口，确保钢管与已有结构紧密贴合。大横杆置于立杆里面，每侧外伸长度不小于 100 mm；斜撑立杆与大横杆交点处设置小横杆，两端固定在立杆上；脚手架在一层标高处和作业层满铺竹跳板，并用铅丝与大横杆系牢以防脱落，外侧挂满密目安全网。3跨设置1道连墙拉筋，连墙拉筋位置需打孔，采用吊篮进行插入孔钻孔施工，人工用手风钻打孔，孔位与已有结构外表面角度宜呈 45，以插筋为基础搭设操作排架。采用卷扬机在坝顶固定吊篮，吊篮自坝顶向下放至施工点并固定，施工人员在吊篮内进行插进孔施工作业。植入插筋后，一端埋入墙内，深度不小于20 cm，注入植筋胶。拉筋一端与钢管焊接，另一端与插筋焊接，采用扣件或直接连接于脚手架的短钢管上，固定牢固。2.2.2 原结构面处理已有结构的混凝土强度应大于 C20，表面应坚实、平整、无起砂、起壳、蜂窝、麻面、油污等。如果原有结构有上述问题，应先进行修整，采用砂轮机磨平，以保障已有结构表面的平整。施工中必须做好新旧混凝土结合面的处理，凿去面层至混凝土表面，承力结构与已有结构接触部位应进行挖槽处理，挖槽深度至少为 1 个保护层厚度的深度。非承力结构与已有结构接触部位应进行凿毛处理。为保证孔深符合设计要求，开孔应在开槽或凿毛后进行。开孔后将混凝土结合面清洗干净并充分湿润，在浇筑混凝土前应刷 1 道 JH-302 界面剂，以保障新旧混凝土接触面的良好质量。2.2.3 钻孔孔前应先用钢筋探测仪结合原结构设计图纸对原结构钢筋进行标记，以免破坏原结构承载力及使用功能；根据锚固承载力计算结构植筋深度后进行定位放线。植筋孔按结构设计进行布孔，孔向、孔位、孔深应符合设计和施工要求，孔深偏差值满足设计要求；植筋孔采用 YT28 型气腿式风钻造孔。钻孔在搭设的施工平台上进行，施工人员配备安全带和安全绳等防护用具，安全带悬挂在坝体侧固定的钢丝绳上，孔深较深时，钻机钻孔可分段进行，直至钻至设计深度。批量钻孔后应对钻孔进行清理。清孔时采用专门毛刷清理孔内破碎混凝土粉末，清理时毛刷在孔内抽拉旋转，再用空压机吹尘洗孔，反复操作此过程，直到孔内粉尘被清理干净。因孔内潮湿会对植筋胶产生不利影响，因此清孔时严禁用水冲刷，如钻孔较潮湿应进行烘干，因此不宜在阴雨天气施工；清孔后如不立刻进行注胶，应暂时封闭孔口，以防止孔内进入灰尘、水雾等，注胶前需要再对钻孔进行清洁检查，确保钻孔内无粉尘等杂物。2.2.4 注胶及植筋钢筋植入前使用钢丝刷对钢筋的锚固段进行除锈，除锈长度应不小于锚固段长度；用于植筋的有机胶黏剂应采用改性环氧树脂类或改性乙烯基酯类材料，其固化剂不应使用乙二胺。配置植筋胶时，禁止掺入外加剂；应均匀搅拌，避免落入杂物；向孔内注入植筋胶时应尽量减少空气进入，以免产生气泡，注胶时将钻孔填满，直至少量植筋胶从钻孔溢出的状态为止，由于植筋胶极易凝固，因此需要将植筋胶一次灌注到位。注胶完成后马上进行植筋，将钢筋按 1 个方向边旋转边插入孔内中心位置，使插筋和结构完全咬合紧密，不存在间隙，并确保能够插入孔底，可采用振动机械或者锤击辅助施工，一般插入钢筋过程需要 5 6 s，不宜过快。在正式植筋施工前，进行植筋的拉拔试验，郭重阳，王坤，唐腾飞，龙益彬 高空工程大体积混凝土结构后锚固技术研究93在施工过程中应随机抽取总数的 1计算，且不少于 5 根；植筋胶应在常温下固化 3 7 d，固化期间不宜对钢筋产生任何扰动，禁止敲击、碰撞和拉拔钢筋等，至少应在 2 d 后在进行后续施工，否则可能对植筋强度产生影响。施工中应合理安排植筋与后续混凝土浇筑的时间和空间顺序，避免工期浪费。2.2.5 钢筋工程钢筋焊接时，焊接点与胶层距离应不小于200 mm；由于悬挑结构上下排钢筋都需要植筋，但整体植筋，间排距及上下排间距控制较难，因此需要将钢筋断开，在钢筋焊接阶段再进行错峰焊接。2.2.6 模板及混凝土浇筑模板安装过程中，应设置足够的临时固定设施，因此可合理利用原钢结构受力结构作为临时固定设施，以防变形和倾覆；由于高空的施工环境，模板的安装及拆除作业必须使用专项设备，并应严格按规定的施工程序进行，以避免施工期发生事故，防止混凝土及其模板的损坏。为防止新旧结构整体变形较差的问题，在结构或路线突变处留置 2 cm 结构缝；结构施工缝间距不大于 20 m。高空作业下混凝土采用吊车配吊罐入仓浇筑。高空作业下混凝土浇筑作业应从低处开始浇筑，浇筑面保持水平。混凝土采用50 mm 软轴振动器振捣；在混凝土振捣过程中，应经常观察模板、悬挑式脚手架、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发现有变形、移位时，应及时采取措施，保障施工安全。2.2.7 原有钢结构的处理该改造工程需要拆除原有钢结构，较为棘手的就是钢结构的承力结构。因为钢结构的承力结构分布于混凝土结构外侧，需利用设备进行逐一拆除，并且需要完成钢结构的承力结构拆除部位的表层缺陷处理，工序多，且空间有限，高空作业施工难度较大。拆除的承力结构还需要配合吊运系统运出，大型施工机械设备的进场条件有限，施工成本较高；此外，拆除后钢材的重复利用也存在一定困难。因此，单一对钢结构进行拆除的方法从技术角度还是经济角度都十分不理想。此方法针对上述问题的解决方式为，在拆除钢结构的过程中，部分只拆除钢结构中易于拆除的非承力结构，保留承力结构，并以承力结构为基础，架立模板，直接浇筑混凝土，形成悬臂钢混结构。悬挑结构最大弯矩主要出现在固端，可以在纵向与新的悬臂承力结构联合承载，在横向也可代替钢筋混凝土结构中横向分布筋的作用。施工时，钢结构的承力结构与新的悬臂承力结构外表层边线间应留有足够的距离，确保钢筋的保护层厚度满足要求；钢结构的承力结构与植筋采用双面焊焊接，保证其协同受力。3 结束语通过对高空条件下水电改造工程后锚固技术成功案例的深入研究，得出以下结论。1）使用改进后的后锚固植筋技术。与其他锚固类型相比，承载快，固化时间短，可大大缩短施工周期，且施工方便，人工投入少，具有良好的经济效益且安全可控，可操作性强。2）在已有结构上进行改造，投入少，符合绿色建造的思想要求；价格低廉，节约了材料。改造后的钢混结构可广泛应用于已有结构为大体积混凝土的各个部位。3）高空施工环境比较复杂，限制因素较多，无法采用满搭脚手架施工，且因大体积混凝土的结构特点，不宜设置施工支撑点，难度大，风险高，采用植入式悬挑式脚手架，结构可靠，可确保施工的安全。4）改进注胶技术。不仅增加了注胶效率，也提高了注胶质量，使注胶更均匀，孔内饱满率更高，使植筋胶与钢筋、混凝土结合更紧密。综上，形成了一套成熟的高空后锚固施工方法，填补了当前国内水电工程高空改造及扩建领域的技术空白。参考文献：1丁铸铎.后锚固植筋技术在工程改造中的应用J.民营科技，2015,（6）:113.2李坤由.后锚固技术简介及应用J.粮食流通技术，2006,（4）:8-9.3李廉锟.结构力学：上册M.北京:北京高等教育出版社，2010.4JGJ 145-2013 混凝土结构后锚固技术规程S.5GB 50367-2013 混凝土结构加固设计规范 S.6孙长江.化学植筋施工质量控制J.施工技术，2006,（S1）:187.7卢炳赛，张晓，何俏俊.悬挑式脚手架的搭设和拆除要点J.科技传播，2011,（6）:129-130.