CN113774816A - 表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明为表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，该方法包括以下内容：在需要补强的混凝土桥墩表面的混凝土保护层中开槽，开槽的深度不超过混凝土保护层厚度的2/3；然后在开槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对高性能筋材施加预应力，预应力施加到位后，将高性能筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，在不增加桥墩表层混凝土厚度的前提下使桥墩的表面开槽区域与未开槽区域形成一个整体，实施对混凝土桥墩的植入式预应力筋材补强。该新方法能够使得承载能力不足的混凝土桥墩，其承载力得到快速修复提升，可以使混凝土桥墩的承载力提升到补强前承载力的1.4‑2倍，补强效果优势明显，补强施工工艺简单。

Description

表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土桥梁工程技术领域，尤其涉及表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法。

背景技术

近年来，国内外大地震频发，造成的人员伤亡和财产损失不计其数，严重影响社会发展。桥梁是公路、铁路交通基础设施网络中最关键的要素之一，在地震作用下往往属于薄弱环节，而桥墩作为桥梁结构抗震中最重要的抗侧力构件，又是地震作用下桥梁结构中最易破坏的部位。桥墩在地震中发生破坏，主要因为塑性铰区的延性和抗剪能力不足，表现为箍筋的配置数量不足和其搭接长度不够。

我国存在大量基于旧的桥梁抗震设计规范设计的箍筋配置不足的钢筋混凝土桥墩，加之由于服役时长和环境的劣化，旧桥墩还存在混凝土开裂、疏松、塌落、钢筋外露等病害，而我国地震多发地带遍布，在地震作用下这些旧桥墩存在很大的倒塌风险。考虑日益增长的交通压力和经济成本等原因，对现有旧的桥墩结构完全拆除重建是不切实际的，因此对旧桥桥墩进行抗震补强显得尤为紧迫。

如专利号为ZL201821103588.3的中国专利，公开了一种加固既有桥梁扩大基础和桥墩的结构。包括桥墩和桥墩基础的加固。将桥墩和基础的混凝土表面凿毛，在桥墩和基础上钻孔，在孔中植入钢筋，在桥墩表面挂置钢筋网片，在桥墩基础上加挂构造箍筋，再在桥墩和基础外部浇筑钢纤维混凝土。该方法实际上是加大截面法的一个变种。其缺点在于：①工艺复杂，要在桥墩混凝土中钻孔、植筋、加挂钢丝网或构造箍筋再浇筑混凝土；②由于在表面重新浇筑混凝土，加大了桥墩的截面面积和在河道中的阻水面积；③混凝土的浇筑也使得湿作业量非常大，施工只能在河道的枯水季节进行；④钻孔植筋会破坏桥墩和基础的固有承载能力且施工期间桥墩的安全性和稳定性降低；⑤后置的补强层存在应力滞后，在桥梁荷载加大的情况下，有可能出现梯次破坏。

本发明表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，克服了以往各种加固方法的缺点，是在需要补强的混凝土桥墩表面混凝土保护层中开槽，然后在混凝土槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对筋材施加预应力，预应力施加到位后，将筋材端部对焊，并向槽中注入凝胶结材料使之形成整体，最后修补混凝土表面(修补后使其表面无外露钢筋)，实施对混凝土桥墩的植入式预应力筋材补强，以此克服桥墩箍筋的配置数量不足和其搭接长度不够的问题，从而来改善桥墩性能。

发明内容

针对已有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，该新方法能够使得承载能力不足的混凝土桥墩，其承载力得到快速修复提升，采用本发明方法补强混凝土桥墩，可以使混凝土桥墩的承载力提升到补强前承载力的1.4-2倍，补强效果优势明显，补强施工工艺简单。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，该方法包括以下内容：在需要补强的混凝土桥墩表面的混凝土保护层中开槽，开槽的深度不超过混凝土保护层厚度的2/3且开槽深度约为待植入的高性能筋材直径的3倍，开槽宽度为待植入的高性能筋材的直径的两倍；然后在开槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对高性能筋材施加预应力，预应力施加到位后，将高性能筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，在不增加桥墩表层混凝土厚度的前提下使桥墩的表面开槽区域与未开槽区域形成一个整体，实施对混凝土桥墩的植入式预应力筋材补强。

优选开槽深度为2.5-5cm。

桥墩表面的混凝土保护层中开槽，按照桥墩补强的要求来实施：

①当桥墩由于顶部配筋不足、支座位置布置不当、混凝土收缩变形及使用荷载增加等因素引起的竖向裂缝，可采用在混凝土桥墩表面开横向槽(水平槽)，横向张拉高性能筋材来补强原有桥墩，利用体外导入预应力，对墩身形成压力和弯矩，从而改善墩身的应力，实施对桥墩的水平向补强；

②当由于车辆竖向及水平冲击荷载、温度荷载、墩柱桩基的不均匀下沉及施工缺陷等因素引起的横向裂缝时，可以在桥墩中开竖向槽，将高性能筋材植入到竖向槽中，再封填槽道，实施对桥墩的竖向补强；

③当桥墩表面同时出现竖向裂缝、横向裂缝时，可以在桥墩表面同时开竖向槽和水平槽(如图2所示)，先在竖向槽中植入高性能筋材，再在水平槽中植入高性能筋材，然后对水平筋材进行张拉，最后封填槽道，实施对桥墩的双向补强。

所述混凝土桥墩为竖向承力构件，混凝土桥墩的截面可以是圆截面、矩形截面或椭圆形截面等，可以是上下等截面的也可以是变截面的。桥墩可以是实心墩也可以是空心墩等。

所述开槽由上而下的间距依据设计而定，开槽的深度和宽度以不损伤桥墩内原有钢筋同时便于筋材的植入为原则。开槽可以是沿混凝土桥墩表面开水平槽，必要时可以同时开竖向槽。

所述高性能筋材为具有可焊性同时便于夹持施加预应力，包括高强钢丝、高强钢丝绳和高强螺旋肋筋等。避免使用昂贵的记忆合金等方式进行补强。

所述胶凝材料可以是细石混凝土、高标号砂浆或防火树脂、防腐蚀冲刷胶凝材料等。

所述混凝土保护层当同时开水平槽和竖向槽时，竖向槽内也要植入竖向筋材，当竖向筋材埋入后再植入水平筋材，竖向筋材可不加预应力，竖向筋材可借助水平筋材的预应力对竖向筋材进行约束。

通过表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩，相同条件下显著增大了桥墩内混凝土的抗压强度，增大了混凝土桥墩的承载能力。

本发明表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法特别适用于以下情况：

(1)钢筋混凝土桥墩中钢筋锈蚀严重和其他种种病害造成墩体承载能力下降；

(2)需要提高荷载等级的既有桥梁之钢筋混凝土桥墩；

(3)用于控制墩体裂缝及降低桥墩钢筋的疲劳应力水平。

本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：

本发明突出的实质性特点为：

本发明的核心创新点在于：①本发明创造性地利用仅在桥墩混凝土保护层中开槽，将预应力高强度筋材植入槽中，以保护筋材受环境的侵蚀，提出了一种全新的表层植入式补强桥墩的新方法；②对横向筋材施加预应力，补强层不会出现应力滞后现象，提升补强效果；③补强后进行封填处理，开槽宽度较窄，能够使桥墩表面恢复平整，使得补强对桥墩的外观没有影响，不会加大桥墩的截面面积，且不会增加河道流水阻力。

本发明的显著进步是：

(1)本发明一改本领域的常规思路，将钢筋进行表层植入埋入式设计，在不增加桥墩截面面积的前提下，最大程度地保护筋材免于腐蚀的风险，使得筋材不易锈蚀，延长了桥墩的使用寿命及增加了其承载效果。

(2)与外贴式材料补强相比，本申请补强方法能使筋材与桥墩整体受力，避免了外贴式材料受力滞后的问题，最大程度地降低了有可能出现的梯次破坏现象。

(3)仅对混凝土保护层表面处理，不会破坏桥墩内已有结构层，工作量大大降低，节省工期；补强后，桥墩的截面积不增加，对处于河道中的桥墩补强后的流水阻力不增加；补强的筋材由于放在混凝土内部，避免筋材受到火灾破坏，抗冲击性能、耐久性能等得以提高。补强施工几乎没有混凝土湿作业，施工速度快。

(4)本发明中开槽尺寸较小，开槽后有混凝土三个面参与筋材与填充材料的黏结，界面接触面积增大，补强筋材的黏结性好，强度得到更有效的发挥；由于桥墩本身受压，水平裂缝不易出现，设置水平开槽不仅施工方便，实现补强目的，同时能对竖向裂缝起到一定的修复作用。

(5)本申请中施工时不需要大量的张拉机具同时作业，也不需要设置锚具，预应力控制方便，节约人力成本及设备成本。

(6)补强后桥墩的重量增加很少，与传统补强方法相比，极大地减少了桥墩基础及地基的附加荷载。

(7)本发明方法针对桥墩设计，桥墩表面有一层混凝土保护层，开槽深度不破坏该层结构，因此，开槽的设计不会切断桥墩内部的受力钢筋，水平开槽的设计，可以实现闭环预应力，使其与原来基础形成一个整体，无应力滞后现象，能最大程度地提高补强效果。槽窄设计，封填工程量小，无需湿作业。本发明等间距开槽增加预应力高性能筋材，相当于增加了箍筋数量，焊接在一起设置预应力使其与混凝土桥墩形成一个整体，分担了原来箍筋的受力，提高其承载性能，以此克服现有技术中桥墩箍筋的配置数量不足和其搭接长度不够的问题。

附图说明

图1为高铁桥墩的实物照片。

图2为本发明在桥墩表面的混凝土保护层开横、竖向槽的效果图。

图3为一种桥墩及开水平槽后的实物图。

图4为水平槽中植入筋材并施加预应力的状态图。

图5为槽道封填后的状态图。

图6被补强柱原截面和补强后的截面。

图7螺旋肋钢丝对核心混凝土的约束力。

图中，1为原桥橔中的箍筋；2为植入的筋材；3为原桥橔中的纵向筋。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明的构思是：混凝土桥墩侧立面是自由的，在需要补强的混凝土桥墩侧立面表面混凝土保护层中开槽(可以单开水平槽、竖向槽或同时开竖向槽和水平槽，如图2所示)，然后在混凝土槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对水平槽中的筋材施加预应力，预应力施加到位后，将筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，实施对混凝土桥墩的植入式预应力筋材补强。

图1为高铁桥墩的实物照片，也为一种混凝土桥墩，为竖向承力构件，桥墩桥梁结构具有“头重脚轻”的特点，即主要的质量都集中在上部结构，因此在水平地震荷载下，上部结构会对下部结构产生较大的水平剪切作用力，从而使桥墩结构受力更为复杂。

图2为桥墩表面开设水平槽和竖向槽的状态图，先等间距开设竖向槽，再沿横向等间距开设水平槽，水平槽中的筋材施加预应力，使得竖向槽和水平槽形成一个整体，同时与桥墩形成一个整体，实现对桥墩的补强。

图3中左图为变截面的桥墩，为椭圆截面，右图为其水平开槽后的状态图，沿桥墩表面高度方向等距开槽，提高桥墩的整体受力。

实施例

桥墩可采用立柱形式，为竖向承载结构，本实施例以混凝土圆截面柱墩植入预应力螺旋筋钢丝补强承载力分析为例进行介绍。

在混凝土立柱补强工程中，一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土柱的新方法，是在需要补强的混凝土柱表面混凝土保护层中开槽，然后在混凝土槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对筋材施加预应力，预应力施加到位后，将筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，实施对混凝土柱的植入式预应力筋材补强。用此法可提高混凝土立柱的承载力，起到一定的补强作用。

1.工程概况

某工程为二幢分别为五层、八层框架结构的厂房,每层层高为4-5m，在其主体框架结构施工完成后，发现部分构件混凝土强度尚未达到设计要求，实际测试结果不少柱子混凝土强度仅达到C17-C19，个别的柱子为C15。因此，必须给予补强加固。但厂方提出加固补强不宜扩大柱子断面尺寸(柱子直径500mm)，并要求尽量降低工程补强经费。此时立柱可以看做是本申请中的桥墩。

通过对这两幢厂房工程进行了详细全面的计算分析，决定将混凝土强度等级C20作为该工程混凝土构件补强与不补强的分界线，即梁柱混凝土构件实测强度等级在C20以上者可不进行补强处理，C20以下者全部进行补强处理。这样对八层楼的框架结构厂房，从三层到八层共补强了26根柱子，对五层楼的框架结构厂房，从一层到五层共补强了36根柱子、4根大梁，这些构件实测混凝土强度等级为C15-C19之间。

2.工程补强方法和计算

该工程的补强采用本申请的补强新方法，以植入螺旋筋钢丝来提高混凝土柱子的承载力，即用ф9的螺旋筋钢丝植入混凝土柱表面开好的槽中，然后通过张拉千斤顶对筋材施加预应力，预应力施加到位后，将筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，实施对混凝土柱的植入式预应力筋材补强。

如图6所示，图6中(a)为补强前柱子的截面，直径d＝500mm，混凝土保护层厚度为t＝50mm，立柱纵筋为

(前面8表示纵筋的数量是8根，中间的符号表示二级钢筋，直径是20mm)，箍筋ф8@80mm(箍筋直径为φ8mm，间距s为80mm)，在柱子混凝土保护层中开深30mm的植入槽，植入的钢丝直径为9mm，植入的钢丝间距s₁＝200mm，如图6中(b)所示。

2.1原柱的承载力

原柱的极限承载力N可采用有配置螺旋式间接钢筋的钢筋混凝土轴心受压柱承载能力进行计算,其计算式如下:

N＝0.9(f_cA_cor+f′_yA′_s+2αf_yvA_sso) (1)

式中f_c—混凝土的轴心抗压强度设计值，f_c＝9.6N/mm²；

A_cor一构件的核心截面面积(箍筋以内截面的面积)，

d_cor—构件的核心混凝土直径，d_cor＝384mm，则A_cor＝115752.96mm²；

f′_y一原柱中纵筋的抗压强度设计值，f′_y＝300N/mm²；

A′_s—全部纵向钢筋的截面面积(原柱)，A′_s＝2512mm²；

α—间接箍筋对混凝土约束的折减系数，α＝1；

f_yv—箍筋的抗拉强度设计值，f_yv＝270N/mm²；

A_sso一箍筋的换算截面面积，A_sso＝π·d_cor·A_ss1/s

A_ss1一单根箍筋的截面面积，A_ss1＝50.24mm²；

s一沿构件轴线方向箍筋的间距，s＝80mm；

则，N＝2046.35kN。

2.2补强后柱子的承载力

采用植入预应力螺旋肋钢丝补强后的混凝土柱，其核心混凝土在原有三向受力σ₂的基础上，其核心混凝土柱的抗压强度f_c1可继续按三向受压时的强度考虑，可取：

f_c1＝f_c+4σ₂ (3)

除混凝土柱原有的箍筋对核心混凝土的约束外，由于螺旋肋钢丝的植入且给核心混凝土带来了两个方向的约束，使核心混凝土的抗压强度在两个方面增大，一是由于螺旋肋钢丝本身的存在使核心混凝土抗压强度增大，另一方面是螺旋肋钢丝内施加的预应力使核心混凝土的内压力增大，这样：

σ₂＝σ_r1+σ_con (4)

式中σ_r1—螺旋肋钢丝本身的存在使核心混凝土抗压强度增大部分的应力；σ_con—螺旋肋钢丝内施加的预应力使核心混凝土的内压力增大。

先看第一部分。如图7所示，图7中(b)是螺旋肋钢丝对核心混凝土的约束作用，其算法如下：

设植入的筋材用消除应力螺旋肋钢丝φ^H9mm，极限强度标准值f_ptk＝1570N/mm²，抗拉强度设计值f_py＝1110N/mm²，弹性变量2.05×10⁵N/mm²，水平开槽的竖向间距取s₁＝200mm，当量应力σ_r1：

再看第二部分。预应力螺旋肋钢丝补强混凝土柱，在考虑预应力的各项损失后，可以取：σ′_con＝0.75f_ptk＝0.75×1570＝1177.5N/mm²

则：σ₂＝σ_r1+σ_con＝0.225+0.238＝0.463N/mm²

于是，补强后柱子的承载力N₂：

A′_ss1—植入钢丝的截面面积，A′_ss1＝63.59mm²

代入具体数据，得N₂＝2853.66kN。

与原柱的承载力相比，补强后混凝土柱的承载力提高了39.45％。相对于现有的补强方法(一般承载力仅能提高10-15％左右)来说，承载力提高幅度较大。

3.施工要求

从理论验算与工程实践来看,采用螺旋肋筋补强柱子提高混凝土柱子的承载力是可行的,但关键在于施工质量,其要求是:

3.1被补强混凝土桥墩表面检查，清除浮渣，表面清理找平；

3.2在大型混凝土桥墩表面沿竖向等间距开水平槽，必要时可加开竖向槽；

3.3用压缩空气吹净槽道内混凝土粉尘；

3.4在槽内埋入高强螺旋肋钢筋并在螺旋肋钢筋交汇处给筋材施加预应力；

3.5最后，用高强混凝土或树脂混凝土充填槽道，做混凝土墩表面美化。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于，该方法包括以下内容：在需要补强的混凝土桥墩表面的混凝土保护层中开槽，开槽的深度不超过混凝土保护层厚度的2/3；然后在开槽中植入高性能筋材，再通过张拉千斤顶对高性能筋材施加预应力，预应力施加到位后，将高性能筋材端部对焊，最后用凝胶材料封填槽道，修补混凝土表面，在不增加桥墩表层混凝土厚度的前提下使桥墩的表面开槽区域与未开槽区域形成一个整体，实施对混凝土桥墩的植入式预应力筋材补强。

2.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：开槽深度为待植入的高性能筋材直径的3倍，开槽宽度为待植入的高性能筋材的直径的两倍。

3.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：所述开槽在桥墩表面由上而下的间距依据设计而定，开槽的深度和宽度以不损伤桥墩内原有钢筋同时便于筋材的植入为原则。

4.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：开槽深度为2.5-5cm。

5.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：所述高性能筋材必须具有可焊性，为高强钢丝、高强钢丝绳或高强螺旋肋筋；所述混凝土桥墩的截面为圆截面、矩形截面或椭圆形截面，桥墩为实心墩或空心墩。

6.根据权利要求5所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：圆截面、矩形截面或椭圆形截面的桥墩，为上下等截面或变截面结构。

7.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：所述凝胶材料为细石混凝土、高标号砂浆或防火树脂。

8.根据权利要求1所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：所述开槽为沿混凝土桥墩表面开的水平槽，必要时同时开竖向槽。

9.根据权利要求8所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：当同时开水平槽和竖向槽时，竖向槽内也要植入竖向筋材，当竖向筋材埋入后再植入水平筋材，竖向筋材不加预应力。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩的新方法，其特征在于：通过表层植入预应力高性能筋材补强混凝土桥墩，增大了桥墩的箍筋配筋率，提高了桥墩内混凝土的抗压强度，使混凝土桥墩的承载力提升到补强前承载力的1.4-2倍。

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