CN103334596A

CN103334596A - 一种体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法

Info

Publication number: CN103334596A
Application number: CN2013101163552A
Authority: CN
Inventors: 韩强; 杜修力; 张文强; 赵密
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明涉及大跨度桥梁、（超）高层建筑以及地铁地下结构等领域的一种体外预应力外加钢罩加固钢筋混凝土墩柱的方法，该方法主要包括：根据混凝土墩柱的抗剪、抗弯强度以及延性要求，计算混凝土墩柱是否需要加固；确定由预应力绞线和连接锚具组成的预应力绞线环箍在沿混凝土墩柱高度方向上的位置和间距；将预应力绞线环箍缠绕在混凝土墩柱外面，并根据沿混凝土墩柱加固需求的大小，对预应力绞线施加拉应力；最后根据混凝土墩柱竖向承载力和变形性能要求，以及对体外预应力绞线和锚具的保护要求，确定外层钢板的厚度以及钢板焊接成钢罩后直径大小，并在原混凝土墩柱和钢罩间注入水泥砂浆填充，形成体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱。

Description

一种体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法

技术领域

本发明涉及大跨桥梁、（超）高层建筑和地铁地下结构以及其它重大构筑物的混凝土墩柱，尤其是涉及体外预应力加固混凝土墩柱的方法。

背景技术

钢筋混凝土墩柱广泛应用于大跨桥梁、（超）高层建筑和地铁地下结构等重大构筑物中，其主要作用是把上部结构的荷载传递给基础，是构筑物中最重要的承重构件。这些重要构筑物可能遭受潜在地震、爆炸以及强烈撞击等极端荷载作用，易产生非弹性的损伤破坏（如混凝土墩柱形成塑性铰的弯曲破坏，以及弯剪破坏或剪切破坏等），完全重新建造墩柱对整个结构上来说是困难的或在经济上不可性，采取加固墩柱无论是在技术上还是经济上都是一个较好的选择方案。不同加固方案对改善或提高混凝土墩柱强度和延性是不同的，加固方法（包括加固材料和实施方案等）直接影响或者说决定了加固后结构体系或构件性能，是混凝土墩柱加固技术中的一个关键问题。

混凝土墩柱的加固技术通常包括（1）钢套管加固；（2）增大截面加固法；（3）复合纤维材料套管（如碳纤维、玻璃纤维等）等，这些加固方法对抑制混凝土裂缝的开展，提高混凝土墩柱的抗弯和抗剪承载能力，改善了混凝土墩柱受力性能，取得一定的作用，但对于大跨度桥梁结构、（超）高层建筑以及地铁地下结构等高轴比的混凝土墩柱加固时，均存在不足之处。

钢套管和复合纤维材料套管加固法的机理是，当混凝土墩柱中压力区中高轴向压应变作用下混凝土侧向膨胀，或是拉力区中在初始搭接失效下搭接头的扩张作用，通过钢（或复合纤维材料）套管产生的侧向约束压力能限制墩柱的径向膨胀，约束的程度依赖钢（或复合纤维材料）套管的强度和刚度，对可能遭受潜在地震、爆炸以及强烈撞击等极端荷载作用混凝土墩柱只有在核心混凝土损伤破坏扩大至套管时才取到作用，部分改善混凝土墩柱性能。增大截面加固法就是绕墩柱外部放置环箍，然后把包墩柱环箍的钢筋钻入并粘接在墩柱上，最后用混凝土包住钢筋，类似混凝土套管的竖向钢筋以暗销接合到基础上并留了足够的锚固长度来保证其强度，优点是在提高墩柱抗剪和抗弯承载力同时，保留墩柱然来形状，缺点是在对墩柱加固的同时，必须对基础加固，增加其抗弯、抗剪强度使之确保塑性铰出现在墩柱上，基础加固工作最大而且施工缓慢，费工费时。

本发明提供了的一种新型体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法，采用不同预应力度对混凝土墩柱进行体外预应力加固，预应力钢铰线使原墩柱的核心混凝土和保护层混凝土共同形成约束混凝土，能有效的限制剪切斜裂缝形成和开展，同时外加钢罩既能双重约束核心混凝土和保护层混凝土，还能对预应力绞线和锚具取得保护作用，大大增加了混凝土墩柱的抗剪、抗弯承载力、竖向承载能力和延性。对于可能遭受强震，爆炸或是强烈撞击等极端荷载作用的大跨度桥梁混凝土桥墩、（超）高层建筑底层混凝土柱以及地铁地下结构的混凝土柱等高轴压混凝土墩柱提供了一种较理想的加固方法。

发明内容

为了克服上述存在的不足和缺陷，本发明提供了一种新型体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法，解决工程上亟待解决的高轴压混凝土墩柱抗剪、抗弯承载力、竖向承载力以及混凝土墩柱延性不足等问题，同时具有良好的耐久性能，满足可能遭受地震、爆炸或是强烈撞击等极端荷载作用的大跨度桥梁混凝土桥墩、（超）高层建筑底层混凝土柱以及地铁地下结构的混凝土柱等高轴压混凝土墩柱的加固。

本发明提供的一种新型体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法，其具体施实步骤为：根据混凝土墩柱的抗剪、抗弯强度以及延性要求，计算混凝土墩柱是否需要加固；确定由预应力绞线及连接锚具组成的预应力绞线环箍在沿混凝土墩柱高度方向上的位置和间距；将预应力绞线环箍缠绕在混凝土墩柱外面，并根据沿混凝土墩柱加固需求，对预应力绞线环箍施加拉应力；最后根据混凝土墩柱竖向承载力和变形性能要求，以及对体外预应力绞线和锚具的保护要求，确定外层钢板的厚度和钢板焊接成钢罩后直径大小，并在原混凝土墩柱和钢罩间注入水泥砂浆填充，形成体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱加固需求包括：计算混凝土墩柱设计抗剪能力、抗弯承载力和延性能力需求；计算混凝土墩柱抗剪能力、抗弯承载力和延性的潜在需求；当混凝土墩柱抗剪能力、抗弯承载力和延性潜在需求大于或等于设计值时，需要对墩柱进行加固修复。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱需要确定混凝土墩柱已经存在的横向钢筋是否符合预先设计的约束钢筋要求，当不满足时需要加固修复。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱第一根预应力绞线环箍的位置在沿混凝土墩柱脚以上50mm处，其余各预应力绞线环箍其沿混凝土墩柱高度方向间距不大于150mm且不大于混凝土墩柱的直径1/4。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的预应力绞线可以是预应力钢绞线和碳纤维或玻璃纤维增强塑料线材。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的高强抗拉预应力绞线面积的确定：计算补偿混凝土墩柱抗剪承载力不足所需要的预应力绞线面积A_s1；计算补偿混凝土墩约束能力不足所需要的预应力绞线面积A_s2；所需高强抗拉预应力绞线面积为A_s1和A_s2的较大值。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的预应力绞线和连接锚具及其连接方法为：连接锚具由两个相邻但喇叭口方向相反的锚孔和圆柱形锥形楔块组成，预应力绞线一端固定在锚具的一个锥形孔里形成预应力绞线固定端，预应力绞线缠绕混凝土墩柱并穿过连接锚具的另一锥形孔，通过张拉千斤顶给混凝土墩柱施加横向压应力，待施加应力等于计算所需混凝土墩柱所需要的横向应力时，把圆柱锚塞固定在锥形楔孔里，形成由一根预应力绞线和连接锚具组成的预应力绞线环箍，并把连接好预应力绞线的锚具固定在桥墩事先确定位置。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱根据既有构筑物上部结构荷载需求增大或混凝土墩柱性能劣化损伤后承载力能降低而确定混凝土墩柱竖向承载能力需求，以及对体外预应力绞线和锚具保护要求，确定外层钢板的厚度和钢板焊接成钢罩后直径大小。

所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱需要在原混凝土墩柱和外钢罩间注入水泥砂浆填充，形成体外预应力外加钢罩加固修复的混凝土墩柱。

本发明利用体外预应力外加钢罩加钢罩加固混凝土墩柱的方法，充分利用高强度材料性能，大大加强对核心混凝土约束作用，同时增加了混凝土墩柱的抗剪、抗弯承载力、竖向承载能力和延性，加固机理明确，方法较简单，施工快速便洁，质量可控性能好。可广泛应用于可能遭受强震，爆炸或是强烈撞击等极端荷载作用的大跨度桥梁混凝土桥墩、（超）高层建筑底层混凝土柱以及地铁地下结构的混凝土柱等高轴压混凝土墩柱的加固。

附图说明

图1是可应用本发明的典型混凝土圆形墩柱立面示意图。

图2是体外预应力外加钢罩加固圆柱墩柱形示意图。

图3是预应力绞线环箍缠绕并固定在圆柱墩柱形示意图。

图4是预应力绞线、楔形块和锚孔等组成的连接锚具系统示意图。

图5是加固后混凝土墩柱截面示意图。

图6是本发明配套的连接锚具截面立面示意图。

附图标记说明：

1—上部结构；2—盖梁；3—混凝土桥墩；4—基础承台；5—柱基础；6—预应力绞线；7—连接锚具；8—钢罩；9—水泥砂浆；10—楔块；11—锚具；12—锥形口；13—拉应力施加方向；14—锚具穿线孔；15—分裂式圆锥形楔块；16—张拉端；17—固定端；18—定位螺栓；19—墩柱外壁；20—锚具外表面。

具体实施方式

本发明提供的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法，是利用预应力绞线的高强度抗拉性能对混凝土墩柱施加拉应力，增强对核心混凝土的约束作用，同时通过外包钢罩，并在原墩柱和钢罩间注入水泥砂浆填充，形成体外预应力加钢罩加固混凝土墩柱，该加固方法大大提高混凝土墩柱的抗剪、抗弯承载力、竖向承载能力和延性，可广泛应用于可能遭受强震，爆炸或是强烈撞击等极端荷载作用的大跨度桥梁混凝土桥墩、（超）高层建筑底层混凝土柱以及地铁地下结构的混凝土柱等高轴压混凝土墩柱的加固。

图1是可应用本发明的典型混凝土圆形墩柱立面示意图。如图1所示，典型桥梁是由桥梁上部结构1、盖梁2、混凝土桥墩3、基础承台4和桩基础5组成，当此混凝土墩柱的抗剪、抗弯承载力和竖向承载能力或延性不足时，需要对其进行加固。

图2是体外预应力外加钢罩加固圆柱墩柱形示意图。如图2所示，加固后混凝土桥柱是由原混凝土桥墩3、预应力绞线6、连接锚具7、钢罩8、水泥砂浆9组成。首先要计算混凝土墩柱的设计抗剪能力、抗弯承载力和延性能力是否大于其抗剪能力、抗弯承载力和延性潜在需求，并校核横向钢筋是否符合预先确定的约束钢筋的要求，如不满足时需要加固修复。图3是预应力绞线环箍缠绕并固定在圆柱墩柱形示意图。如图3所示，预应力绞线环箍在沿混凝土墩柱高度H方向上第一根预应力绞线环箍的位置在混凝土墩柱脚以上50mm处，即L₁=50mm，其余各预应力绞线环箍其沿混凝土墩柱高度方向间距L不大于150mm且不大于墩柱直径D的1/4，这里高强抗拉预应力绞线可以是预应力钢绞线或纤维增加塑料线材（即FRP线材）。取补偿混凝土墩柱抗剪承载力不足或补偿混凝土墩约束能力不足所需要的预应力绞线面积较大值为加固所需高强抗拉预应力绞线面积。

图4显示一个典型连接锚具系统示意图。如图4所示，典型连接锚具系统包括高强预应力绞线6、连接锚具楔块10、锚具11、锥形口12。预应力绞线6沿着箭头方向13施加拉力，一旦预应力绞线6的拉应力达到预先设计的应力大小，楔块10将被推进连接锚具11的锥形口12里，并紧紧夹住预应力绞线6。当楔块10紧固于锚具11时，松开预应力绞线6，楔块10靠摩擦力紧紧抓住预应力绞线6。

图5是加固后混凝土墩柱截面示意图。如图5所示，它是有锚具穿线孔14、分裂式圆锥形楔块15、张拉端16、固定端17、定位螺栓18、墩柱外壁19和锚具外表面20组成。把预应力绞线6一端固定在连接锚具11上形成固定端17；根据事先所计算预加应力大小，通过千斤顶等张拉机具向高强抗拉预应力绞线6施加拉力，从而现实对混凝土柱3施加压力，并锚固在锚具11的张拉端16上，最后用定位螺栓18把连接好的预应力绞线6的锚具11固定在桥墩事先确定位置。

图6是本发明配套锚具截面的立面示意图。如图6所示，每个连接锚具11由两个相邻但喇叭口方向相反的锚孔14和圆锥形楔块15组成，预应力绞线6一端固定在锚具11的一个锥形孔里形成预应力绞线固定端17，预应力绞线6缠绕混凝土柱3并穿过连接锚具11的另一锥孔14，通过千斤顶等张拉机具给混凝土桥墩3施加横向压应力，待施加应力等于计算所需要混凝土桥墩3所需要的横向应力时，把圆锥形楔块15固定在楔孔里，最后把用定位螺栓18把锚具11固定混凝土墩柱预定位置上。

最后，根据混凝土墩柱的竖向承载力和基于性能的混凝土墩柱加固需求，以及对体外预应力绞线6和锚具11保护要求，确定外层钢板厚度和钢板焊接成钢罩8后的直径大小，并在原混凝土桥墩3和外钢罩8间注入水泥砂浆9填充，形成体外预应力外加钢罩加固的混凝土柱。

Claims

1.一种体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱的方法，其特征在于是具体施实步骤是：

1）计算混凝土墩柱的强度和延性需求，判断是否需要加固，需要加固继续下一步，否则结束；

2）确定预应力绞线环箍在沿混凝土墩柱高度方向上的位置和间距，计算预应力绞线的横截面积以及确定锚具和预应力绞线的连接方式；

3）根据混凝土墩柱竖向承载能力需求，以及对体外预应力绞线和锚具保护要求，确定外层钢罩板厚度以及钢罩直径大小；

4）在原混凝土墩柱和外钢罩间注入水泥砂浆填充，形成体外预应力外加钢罩加固修复的混凝土墩柱。

2.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第1）步判断混凝土墩柱的是否需要加固包括：①计算混凝土墩柱设计抗剪、抗弯承载力和延性能力；②计算混凝土墩柱抗剪、抗弯承载力和延性的潜在需求；③当混凝土墩柱抗剪能力、抗弯承载力和延性的潜在需求大于或等于设计值时，需要对墩柱进行加固修复，否则不需要对混凝土墩柱进行加固。

3.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第1）步需确定混凝土墩柱已经存在的横向钢筋是否符合预先设计的约束钢筋的要求，如果不满足，则需要加固修复。

4.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第2）步第一根预应力绞线环箍的位置在沿混凝土墩柱脚以上50mm处，其余各预应力绞线环箍其沿混凝土墩柱高度方向间距不大于150mm且不大于混凝土墩柱的直径1/4。

5.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第2）步预应力绞线是预应力钢绞线，或者纤维增强塑料线材。

6.根据权利要求5所述的体外预应力外加钢罩加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的纤维增强塑料线材是碳纤维线材、或者玻璃纤维增强塑料线材。

7.根据权利要求1所述的体外预应力加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第2）步需确定预应力绞线横截面积，其确定方法为：①计算补偿混凝土墩柱抗剪能力不足所需要的预应力绞横截面积A_s1；②计算补偿混凝土墩约束能力不足所需要的预应力绞线截面积A_s2；③取预应力绞线横截面积为A_s1和A_s2的较大值，即A_s=max{A_s1,A_s2}为加固所需预应力绞线横截面积。

8.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第2）步所确定锚具和预应力绞线及其连接方法为：连接锚具由两个相邻但喇叭口方向相反的锚孔和圆柱形锥形楔块组成，预应力绞线一端固定在锚具的一个锥形孔里形成预应力绞线固定端，预应力绞线缠绕混凝土墩柱并穿过连接锚具的另一锥形孔，通过张拉千斤顶给混凝土墩柱施加横向压应力，待施加应力等于计算所需混凝土墩柱所需要的横向应力时，把圆柱锚塞固定在锥形楔孔里，形成由一根预应力绞线和连接锚具组成的预应力绞线环箍，并把连接好预应力绞线的锚具固定在桥墩事先确定位置。

9.根据权利要求1所述的体外预应力外加钢罩加固混凝土墩柱，其特征在于：所述的第3）步是根据既有构筑物上部结构荷载需求增大或混凝土墩柱性能劣化损伤后承载力能降低而确定混凝土墩柱竖向承载能力需求，以及对体外预应力绞线和锚具保护要求，确定外层钢板的厚度和钢板焊接成钢罩后直径大小。