CN107724257A - 钢筋混凝土梁桥的加固结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢筋混凝土梁桥的加固结构及其方法，包括在待加固的本体梁的侧部沿纵向对称布置的若干根加固筋，或者在待加固的本体梁的底部和侧部均沿纵向对称布置的若干根加固筋；加固筋包括铝合金筋和FRP筋，铝合金筋与本体梁之间以及FRP筋与本体梁之间均填充有填充材料。本发明混合加固结构采用的铝合金筋和FRP筋混合加固，能够有效提高极限荷载，同时延性好；同时，配合采用近表面加固和侧表面加固两种形式，近表面加固可在恶劣环境中很好的发挥其材料性能，提升加固效果的耐久性；侧表面加固过程简便易行，从加固效果上，在保证适当的加固配筋率下，可避免无锚固近表面加固出现的剥离破坏，提高加固材料的利用率。

Description

钢筋混凝土梁桥的加固结构及其方法

技术领域

本发明涉及混凝土建筑领域，尤其涉及一种钢筋混凝土梁桥的加固结构及其方法。

背景技术

在建筑结构中，钢筋混凝土梁作为主要的受力构件，起着传递荷载的重要作用。对于某些改变使用功能增加荷载的建筑，或者发生地震后的震损结构，都需要对其结构中的梁体进行加固。另一方面，大部分混凝土梁都处于带裂缝工作状态，在大气环境下，尤其是腐蚀环境条件下，随着时间的推移，梁体中的钢筋会发生锈蚀，混凝土会出现锈胀裂缝，造成承载力下降，不能继续正常工作，也需要对其进行加固。

对钢筋混凝土梁进行加固，常见的方法有粘贴钢板法、体外加固法和近表面加固法。粘贴钢板法是指在梁侧面和(或)底部粘贴钢板的加固方法，此方法中本体梁与钢板的共同工作性能不好，并且钢板暴露在空气中，比较容易腐蚀影响加固寿命，并且改变了梁的外形影响美观。体外加固法(Externally bonded mothod)简称EB法，是采用FRP条带对钢筋混凝土梁进行加固，此方法中加固材料与本体梁容易出现剥离而造成加固材料不能充分利用，并且FRP材料暴露在外部容易遭受磨损、撞击、火灾、高温、高湿、风华、冻融等外部的不利影响，而出现断裂失去加固效果，进而出现突然卸载的情况，造成梁体突然破坏，威胁人民的生命财产安全；再者加固混凝土构件表面必须经过处理，耗时耗力，工作量大，并且改变了本体梁的形态，影响美观。

近表面加固法(Near surface mounted mothod)简称NSM法，是指在待加固梁底部保护层内开槽，把填充材料结构胶注入槽内，放入加固筋，最后用填充材料将槽洞填满，压实并抹平，此方法能较好的提高梁的承载力，对加固材料有很好的保护作用。但是存在以下缺陷：①在梁底部开两个或两个以上的槽洞会有应力重叠和梁宽尺寸限制，②该加固方法为了实现耐腐蚀性一般采用纤维增强复合材料(简称FRP)，但是FRP筋为脆性材料，会使加固梁最终会发生脆性破坏，不宜用于抗震地区；③近表面加固法中加固筋处在梁的底部，加固筋端部与混凝土的交界面较容易出现剥离而出现劈裂破坏，从而导致不能充分利用加固材料；④填充材料选用结构胶，一方面造价昂贵，另一方面耐久性相对较差。

因此，找到一种既满足抗震要求，不改变结构美观的新型加固结构，是亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种钢筋混凝土梁桥的加固结构及其方法，采用近表面混合加固法，不改变本体梁结构，且能够满足抗震要求，耐久性好。

为了达到上述目的，本发明加固结构采用如下技术方案：

包括在待加固的本体梁的侧部沿纵向对称布置的若干根加固筋，或者在待加固的本体梁的底部和侧部均沿纵向对称布置的若干根加固筋；加固筋包括铝合金筋和FRP筋，铝合金筋与本体梁之间以及FRP筋与本体梁之间均填充有填充材料。

进一步地，本体梁的端部或沿梁长方向通长包有若干层FRP布，形成U型箍。

进一步地，本体梁经过倒圆角处理后再包FRP布，且倒圆角处理后的圆弧半径大于等于30mm；U型箍沿本体梁梁长方向的宽度至少为3倍的梁高。

进一步地，加固筋的端部设置机械锚固结构，机械锚固结构包括安装在加固筋两端的锚具，以及嵌入本体梁的上锚板和下锚板，上锚板和下锚板通过锚栓和挤压螺栓相连，上锚板和下锚板的侧面上均开设有若干个梯形槽，梯形槽相对且能够形成用于固定加固筋的六边形通孔；锚具采用楔形夹片式锚具。

进一步地，填充材料采用加固用结构胶或纤维增强水泥基复合材料。

进一步地，纤维增强水泥基复合材料包括胶凝材料、粗骨料、减水剂、聚乙烯醇纤维和水，其中，胶凝材料是由水泥和粉煤灰按质量比为555：680组成的；水与胶凝材料的质量比为0.24，粗骨料和胶凝材料的质量比为0.36，减水剂的体积是胶凝材料的体积的1.8％，聚乙烯醇纤维的体积是胶凝材料的体积的2％。

本发明加固方法采用如下技术方案：包括以下步骤：

(a)采用铝合金筋和FRP筋作为加固筋，进行加固配筋计算；

(b)根据计算的加固配筋结果取铝合金筋和FRP筋，对铝合金筋进行预处理；

(c)在待加固的本体梁底部和侧面开槽，在槽中先填入填充材料，再将铝合金筋和FRP筋分别压入填充材料内，一个槽中安装一根铝合金筋或FRP筋，铝合金筋和FRP筋对称布置；然后用填充材料填满槽，压实抹平后固定成型。

进一步地，步骤(a)中加固配筋计算具体包括：

(a01)先计算本体梁的承载力M₀；

(a02)对于承载力需提高γ倍的混凝土梁，加固配筋计算如下：

k_aA_af_0.2(d_a-c)+k_fA_ff_f(d_f-c)＝(γ-1)M₀

其中，k_a为铝合金筋的强度折减系数，当无端部锚固时，k_a＝0.4～0.6，当有端部锚固时，k_a＝0.8～0.9；f_0.2和A_a分别为铝合金筋的名义屈服强度和加固面积；d_a为铝合金筋到混凝土受压边缘的距离；k_f为FRP筋的强度折减系数，当无端部锚固时，k_f＝0.6，当有端部锚固时，k_f＝0.8；f_f和A_f分别为FRP筋的名义屈服强度和加固面积；d_f为FRP筋(3)到混凝土受压边缘的距离；c为中性轴高度。

进一步地，步骤(b)中对铝合金筋进行的预处理是采用喷砂、刻痕或氧化进行的表面粗糙度处理；步骤(c)中开的槽是方形槽，方形槽之间的距离大于或等于4倍的加固筋直径，方形槽的边缘距离本体梁的边缘大于等于30mm。

进一步地，步骤(c)中，在待加固的本体梁底部还开有用于安装机械锚固结构的凹槽；

机械锚固结构安装在加固筋的端部，包括安装在加固筋两端的锚具，以及嵌入本体梁的上锚板和下锚板，上锚板和下锚板通过锚栓和挤压螺栓相连，上锚板和下锚板的侧面上均开设有若干个梯形槽，梯形槽相对且能够形成用于固定加固筋的六边形通孔；机械锚固结构和加固筋的安装过程包括：

(co1)假定锚栓根部混凝土压溃为锚固失效，锚栓上受力按三角形分布，建立力的平衡：

解得：

其中N为单根锚栓所受拉力；f_s和A_s分别为加固筋屈服强度和截面面积；n₁为加固筋数量；n为锚栓根数；d和h分别为锚栓直径和锚栓入梁深度；f_c为混凝土抗压强度设计值；

由此确定锚栓的数量和锚栓入梁深度；

(co2)在预定位置打入锚栓，然后将穿过挤压螺栓的下锚板穿过锚栓，并临时固定下锚板；

(co3)对加固筋的两端用锚具进行敲紧固定，将带有锚具的加固筋压入填充材料内，加固筋的端部将穿过下锚板的梯形槽，锚具位于下锚板的外侧且两者相接；再用填充材料将下锚板和加固筋之间的空隙进行密封，盖上上锚板，拧紧挤压螺栓上的螺母。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明混合加固结构所采用的铝合金筋和FRP筋混合加固，首先能很好的解决原有近表面加固中所采用FRP筋加固造成延性变差，发生脆性破坏的问题，还有效解决了采用铝合金筋加固效果略差的难题，最为重要的是采用铝合金筋和FRP筋混合加固为钢筋混凝土加固梁提供了多重抗震防线，有利于结构抗震；经实验表明，本发明混合加固结构能够有效提高极限荷载，同时延性好。同时，配合采用近表面加固和侧表面加固两种形式，其中，近表面加固可在室外环境、海洋环境等恶劣环境中很好的发挥其材料性能，加固筋亦可避免受到外界磨损、撞击和高温、火灾等意外作用，提升加固效果的耐久性；侧表面加固过程简便易行，由于是在梁侧施工加固，可有效阻止结构胶或高性能砂浆等填充材料的流动，因此施工简单方便速度快，且不需大型施工机具，节省用工；从加固效果上，在保证适当的加固配筋率下，可避免无锚固近表面加固出现的剥离破坏，大大提高加固材料的利用率。另外，本发明将加固筋埋于梁底或梁侧，加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，尽量发挥加固筋的材料性能，达到良好的加固效果。

进一步地，本发明提供了两套加固端部锚固方案，分别适用于不同的加固环境，并且安装方便，施工简单。端部锚固能有效解决近表面加固中出现劈裂剥离破坏，有效解决梁体开裂后，加固筋产生滑移致使加固材料不能充分利用的缺陷，大大提高加固材料的利用率。

进一步地，本发明中采用新型的加固用填充材料，采用纤维增强水泥基复合材料作为填充材料，具有速凝、强度高等优点，还可延长加固寿命，提高耐久性，解决了加固筋与填充材料之间较小粘结力引起的加固效果较差的难题，给加固筋提供拉力，使其参与梁体整体受力，发挥加固效果，最为重要的一点为代替结构胶使用，可大大降低造价。同时，本发明填充材料呈中性或弱碱性，可专门用于铝合金筋的加固中，同样可作为FRP筋的填充材料，对于某些不耐碱的FRP(如BFRP)同样宜使用此填充材料。

本发明中采用的两种高耐腐性加固材料铝合金筋和FRP，并采用近表面加固法和侧表面加固法混合加固，以满足加固要求，可在室外环境、海洋环境等恶劣环境中很好的发挥其材料性能，加固筋亦可避免受到外界磨损、撞击和高温、火灾等意外作用，提升加固效果的耐久性；采用开槽加固，将加固筋埋于梁底或梁侧，加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，尽量发挥加固筋的材料性能，达到良好的加固效果。对于加固强度不高的梁体，可以使用侧表面加固法。该方法加固过程简便易行，由于是在梁侧施工加固，可有效阻止结构胶或高性能砂浆等填充材料的流动，因此施工简单方便速度快，且不需大型施工机具，节省用工。从加固效果上，在保证适当的加固配筋率下，可避免无锚固近表面加固出现的剥离破坏，大大提高加固材料的利用率。

附图说明

图1是普通双混合加固混凝土梁的主视图；

图2是普通双混合加固混凝土梁的仰视图；

图3是普通双混合加固混凝土梁的侧视图；

图4是端部为U型环箍锚固的加固梁的主视图；

图5是端部为U型环箍锚固的加固梁的仰视图；

图6是端部为U型环箍锚固的加固梁的侧视图；

图7是端部为机械锚固的加固梁示意图；

图8是端部为机械锚固的加固梁局部结构示意图；

图9是端部为机械锚固的加固梁的侧视图；

图10是上锚板的结构示意图；

图11是混合加固试验荷载位移曲线图。

图中，1、本体梁；2、铝合金筋；3、FRP筋；4、填充材料；5、方形槽；6、FRP布；7、锚栓；8、挤压螺栓；9、上锚板；10、下锚板；11、锚具；12、梯形槽；13、锚板圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1至图3，本发明包括在待加固的本体梁1底部和侧部沿纵向对称布置的若干根加固筋，加固筋包括铝合金筋2和FRP筋3，铝合金筋2与本体梁1之间以及FRP筋3与本体梁1之间均填充有填充材料4。其中，在本体梁1底部以及侧部，同一面上的铝合金筋2和FRP筋3均交错布置。

参见图4至图6，本体梁1的端部或沿梁长方向通长包有若干层FRP布，形成U型箍。本体梁1经过倒圆角处理后再包FRP布，且倒圆角处理后的圆弧半径大于等于30mm。

参见图7至图10，加固筋的端部设置机械锚固结构，机械锚固结构包括安装在加固筋两端的锚具11，以及嵌入本体梁1的上锚板9和下锚板10，上锚板9和下锚板10通过锚栓7和挤压螺栓8相连，上锚板9和下锚板10的侧面上均开设有若干个梯形槽12，梯形槽12相对且能够形成用于固定加固筋的六边形通孔；锚具11采用楔形夹片式锚具。

本发明方法包括以下步骤：

(1)加固配筋计算。在加固前，需先行加固配筋计算，计算过程如下所示。

A.本体梁1承载力M₀计算。

待加固梁分为锈蚀梁、震损梁和其他加固梁，其承载力计算各不相同。

a)锈蚀梁承载力计算。

基于平截面假定，得出锈蚀梁承载力计算公式如下所示：

其中k₁＝500ε_c(1-166.7ε_c)，ε_c为混凝土压应变；f_c ^*为混凝土软化抗压强度；b为矩形梁截面宽度；x为混凝土受压区高度；A_s′、ε_s’分别为受压钢筋截面面积和应变；a_s′为受压区保护层厚度；A_sc为锈蚀受拉钢筋的截面面积，可通过未锈钢筋截面面积A_s乘以截面锈蚀率计算获得；f_yc＝(0.986-1.038η_s)f_y，f_yc为锈蚀钢筋的屈服强度；f_y为未锈钢筋的屈服强度，η_s为锈蚀钢筋的截面损失率；h₀′为破坏阶段的计算高度，主要考虑锈蚀钢筋引起的截面几何损失，大小等于截面有效计算高度h₀减去保护层厚度；E_s为钢筋弹性模量。

b)震损梁承载力计算。

震损梁承载力根据梁体震损等级，对梁体混凝土和钢筋进行一个评估，得出截面面积和强度的折减系数，然后进行计算。

c)其他加固梁承载力计算。

因设计失误、施工失误、混凝土强度达不到要求等原因所需加固的钢筋混凝土梁的承载力M₀计算，根据实配钢筋和实际混凝土强度，按照传统混凝土梁计算方法进行计算。

B.加固梁加固配筋计算。

a.加固方法的选取。

对于普通钢筋混凝土梁如果侧表面加固能满足加固要求，可首选侧表面加固。对于钢筋混凝土框架结构中，某些底部有墙，又不方便拆除的待加固梁，采用侧表面加固法。

在加固时尽可能将梁体上的载荷卸掉，对于某些难以实现卸载的钢筋混凝土梁，可采用近表面预应力结构。

对于混凝土锈胀较为严重或者混凝土损伤严重的本体梁，可选择无端部锚固或端部锚固为U型箍的加固方式；在设计失误或施工过程中混凝土强度没达到设计要求等本体梁混凝土没出现锈胀裂缝或较少裂缝时，采用端部机械锚固。

b.加固配筋量计算。

对于承载力需提高γ倍的混凝土梁，加固配筋计算如下所示

k_aA_af_0.2(d_a-c)+k_fA_ff_f(d_f-c)＝(γ-1)M₀

k_a为铝合金筋的强度折减系数，可根据界面模型计算，当无端部锚固时，k_a＝0.4～0.6，当有端部锚固时，k_a＝0.8～0.9；f_0.2和A_a分别为铝合金筋的名义屈服强度和加固面积；d_a为铝合金筋到混凝土受压边缘(梁顶)的距离；k_f为FRP筋的强度折减系数，基于ACI规定，当无端部锚固时，k_f＝0.6，当有端部锚固时，k_f＝0.8；f_f和A_f分别为FRP筋的名义屈服强度和加固面积；d_f为FRP筋到混凝土受压边缘的距离；c为中性轴高度。

对于铝合金筋和FRP筋混合预应力近表面加固梁，此计算方法同样适用，其中f_0.2和f_f变为f_pt。

根据上述公式计算出加固筋面积A_a和A_f，即加固配筋量。

(2)铝合金加固筋2表面处理。铝合金材质的选取可选择强度高耐腐蚀性好的7系列铝合金中的7075，但由于市面上铝合金筋均为光圆筋，为增大铝合金筋与填充材料二者之间的粘结力，对铝合金筋进行表面粗糙度处理，有三种处理方式。第一种选用喷砂处理。如图1所示，在铝合金筋表面氧化处理之前，通过喷砂处理，将磨料(金刚砂等)高速喷射到铝合金表面，使其表面粗糙度达到25～420μm；来增大铝合金筋与混凝土的摩擦力，同时不影响铝合金筋的材料性能；第二种为刻痕处理。可以先将铝合金筋表面用机器进行刻痕处理，使其表面变的凹凸不平，然后再进行表面氧化处理，以此来增大机械咬合力。第三种为套丝处理。将铝合金加工制作成带螺纹筋或用套丝机将成型铝合金筋进行套丝处理，完成后需将带肋筋进行氧化处理，以增加其氧化膜厚度。具体氧化方式，需要采用阳极氧化或化学氧化的方法对高强铝合金进行表面氧化处理，在其表面生成一层氧化膜，得到本发明所需的铝合金筋，以达到防护的目的。

对于有端部机械锚固的铝合金加固筋，可不进行表面粗糙度处理，只需要进行氧化处理。

(3)梁体底部和侧部开槽等相关本体梁1表面处理。开槽，槽洞为方形槽5，边长为1.5d(加固筋为光圆筋)或2d(加固筋为变形筋)，其中d为加固筋的直径。槽洞之间的距离应满足如下要求：槽洞之间的净距应大于等于4d(加固筋直径)，槽洞边缘距梁体边缘大于等于30mm。开槽前首先按照图纸量取开槽位置(高度、宽度以及长度)，并用墨线标记出来，然后用混凝土切割机进行切槽，边切边往槽内洒水降低温度。需注意的是在切割过程中一定要缓缓进行，防止切到本体梁内的原始配筋。按照设计要求开槽后，需要对方形槽做如下处理：①利用榔头和凿子将方形槽5洞内壁凿毛，以增加混凝土与结构胶的粘结性能；②将槽内的混凝土碎块儿用毛刷等工具清除，然后用高压喷气设备吹出方形槽5内的混凝土残渣等细小颗粒，必要时用清水冲洗，尽可能地把槽内的灰尘除去；③用烘干机等设备吹干方形槽5，务必确保方形槽5干燥、干净，等待下一步使用。

对于有端部锚固的加固梁，需另做以下相关处理：

a.端部为FRP布的U型箍。

对于某些加固梁需在相应长度方向l_u(至少为3倍的梁高)和高度方向h_u(尽可能靠近梁顶部，如果有可能，可进行绕梁全包)环包一定层数FRP布。将待加固梁表面进行铲灰处理，将梁表面疏松的混凝土铲除，然后使用角磨机对粘贴部位进行打磨平整，直至完全露出结构新面。梁体角部处理，将角部打磨加工，由直角变成圆角，使角部光滑过渡，圆弧半径大于等于30mm，主要为了防止FRP布在受荷过程中被割断，造成端部U型箍提前失效。打磨完成后，使用钢丝刷将混凝土表面浮灰清理干净，必要时使用清水冲洗干净，之后保持干净干燥，等待加固使用。

对于某些本体梁混凝土锈胀严重，则需要沿梁长方向进行通长包裹U型箍，形成约束效应，提高混凝土的强度，可使加固筋与本体梁能更好的共同工作，以达到良好的加固效果。

b.端部为锚栓机械锚固

端部机械锚固分为锚栓7、挤压螺栓8、上锚板9、下锚板10和楔形夹片式的锚具11五部分组成，所有材料都采用铝合金材质，如图4所示。端部锚板为嵌入混凝土梁中，所以需提前在近表面加固筋端部位置切割出b×2t×l的空间，b是梁宽，t是锚板的厚度，l是锚板沿梁方向的长度，以及端部锥形锚具的空间。

首先确定锚板开洞数量n′和锚栓入梁深度h，计算过程如下：

假定锚栓7根部混凝土压溃为锚固失效，锚栓上受力按三角形分布，如图9所示，建立力的平衡

解得：

其中N为单根锚栓所受拉力；f_s和A_s分别为加固筋屈服强度和截面面积，其中FRP筋的f_s可按70％的极限强度计算；n₁为加固筋数量；n为锚栓根数；d和h分别为锚栓直径和锚栓入梁深度；f_c为混凝土抗压强度设计值。

确定锚栓数量后，需要进行锚板制作，锚板分为两块，分别为上锚板9和下锚板10。锚板厚度选用(单位为mm)，开槽形状为梯形槽12，下边宽度(单位为mm)，上边宽度a＝d+5(单位为mm)，开槽深度为(单位为mm)，锚板槽洞可进行挑丝处理，增大与加固筋的摩擦力。

锚板需在相应位置开锚板圆孔13(根据锚栓和螺栓根数确定)，其尺寸要求，开孔直径为d₀＝d+4mm，圆孔距锚板边缘需大于2d₀，圆孔之间净距需大于3d₀，小于8d₀。并需进行抗剪验算。

锚板安装步骤如下：

先在预定位置打入锚栓7，然后将穿过挤压螺栓8的下锚板10穿过锚栓7，用螺母临时固定下锚板10，等待放入加固筋后使用。

(4)填充材料4的制取。填充材料可分为两种，一种为加固用结构胶，应选用流动性小的结构胶，对于无端部锚固的加固结构应选用结构胶，其中铝合金筋适宜选用西卡30CN，不同的FRP材料选用不同的结构胶，一般采用环氧树脂型的结构胶，按提供结构胶的厂商的拌和比，做好结构胶的拌合准备，完成结构胶的制取；另一种为纤维增强水泥基复合材料，对于有端部锚固的加固结构，从耐久性考虑，可使用纤维增强水泥基复合材料，对于FRP材料来说，普通的纤维增强水泥基复合材料可以使用，但是对于铝合金(AA)来说，需要使用特殊配置的纤维增强水泥基复合材料，需要配出的纤维增强水泥基复合材料PH偏中性或弱碱性，同样这些材料也可以作为FRP筋3的填充材料。专用纤维增强水泥基复合材料配合比如下表1所示：

表1.填充材料配合比

Note：配合比是以胶凝材料的总质量为基准；水胶比为水与胶凝材料的质量比；砂胶比为石英砂与胶凝材料的质量比；减水剂和聚乙烯醇纤维为体积掺入量。

其中水泥选用PH值偏中性的磷酸镁(MPC)水泥等其他水泥，粗骨料选用石英砂，最大粒径不超过250μm，外加剂主要添加减水剂，可选用大连Sika3301高效减水剂，PVA纤维采用日本Kuraray公司生产的K-II型可乐纶。配置出的填充材料需要对其相关力学性能进行测试，通过抗压试验、单轴拉伸试验、劈裂抗拉试验和四点弯曲试验得出其抗压强度、受拉强度、受拉弹性模量、劈裂抗拉强度和抗弯强度。

纤维增强水泥基复合材料制备过程如下所示：先将水和减水剂充分融合，将称量好的石英砂、胶凝材料(水泥和粉煤灰)倒入水泥胶砂搅拌机搅拌锅内，混合低速干拌2～3min；然后加入融合后的减水剂和水，低速搅拌2min，待搅拌均匀后将PVA纤维沿着搅拌桶旋转的方向渐渐加入，纤维全部加入后先低速搅拌5min，再高速搅拌5min，直至纤维均匀分布。

在加固前拌制好，等待使用。

(5)加固。

1.普通无端部锚固的加固结构。先用结构胶或纤维增强水泥基复合材料将清理干净的方形槽5填充至一半，放入加固筋，将加固筋(铝合金筋2和FRP筋3)压入结构胶或纤维增强水泥基复合材料内，然后用结构胶或纤维增强水泥基复合材料填满方形槽5，用刮刀压实并抹平。然后支模板固定成型。

2.端部有FRP布U型环箍的加固结构。按照情况1正常加固后，在打磨过的粘贴部位涂刷底胶-结构胶，可提高混凝土表面强度，增强混凝土表面和FRP条带的粘贴效果；然后用底胶将打磨过的梁体表面凹凸不平处填补平整；按设计要求将结构胶均匀涂抹在粘贴部位，放上裁剪好的FRP布，用滚筒沿纤维方向多次滚压，挤出气泡，使结构胶充分浸透FRP布，使布与混凝土表面粘贴紧密，滚压时不得损伤纤维布。对于需要搭接的U型环箍，搭接长度至少为200mm。粘贴多层时，应等纤维表面稍干，才可继续粘贴。在结构胶固化过程中，应检查FRP布有无浮起、鼓胀，如有，则应重新粘贴。

3.端部为机械锚固非预应力近表面加固结构。将上锚板9取下，先对加固筋的两端用楔形夹片式锚具11进行敲紧固定，锚具11之间的净距为两块下锚板10最左端到最右端的距离，将带有锚具11的加固筋放入填充材料注入一半的梁底方形槽洞和下锚板10内的槽洞内，用结构胶将下锚板10与加固筋之间的空隙进行密封，然后将上锚板9盖上，并用扳手上紧螺母，对加固筋进行最后的锚固。锚固完成后，用填充材料4填满方形槽5。

4.预应力近表面加固结构。预应力近表面加固法的施加，采用分级张拉法，利用穿心式千斤顶在张拉端张拉加固筋(铝合金筋2和FRP筋3)。首先用楔形夹片式锚具和上下端部锚板将加固筋一端锁紧，上紧螺母并固定好加固筋位置，张拉端使用悬挂在梁底的穿心式千斤顶对加固筋进行张拉，张拉端加固筋穿过端部锚板和楔形夹片式锚具后，折起15^o，穿过千斤顶轴心，在千斤顶尾部使用锚具进行锚固。在千斤顶尾部和锚具之间放入压力传感器进行张拉应力的控制。在张拉之前，对加固筋进行预张拉，卸载之后，重新锁紧各部位锚具，再通过穿心式张拉千斤顶进行张拉，张拉过程，尽量采用对称张拉，减小预应力损失。

(6)梁体表面处理。加固完成后，对需要美观外部的加固梁，进行涂抹水泥砂浆处理等表面处理。

(7)实验结果表明，在简支条件下，同样纵向配筋率下，本发明在三等分点施加两点对称荷载，在梁底部分别进行两根铝合金筋2加固(ACB)、两根FRP筋3加固(GCB)、以及一根铝合金筋2和FRP筋3(AGCB)混合加固，相对于对照梁(无加固梁RCB)，ACB(由于加固使用的是强度较低的6系列6061铝合金，故极限强度较低。在实际工程中可使用强度高、耐腐蚀性好的7系列7075铝合金)极限荷载提高了20％，GCB极限荷载提高了70％，AGCB极限荷载提高了45％。从图11中可以看出，虽然GCB承载力提高了很多，但是其破坏模式为脆性破坏，且延性很差，延性系数只有对比梁RCB的四分之一。而采用铝合金筋2进行加固的梁ACB的承载力提高则有限。

采用铝合金筋2和FRP筋3混合加固的钢筋混凝土梁不仅承载力提高了很多，而且延性也表现良好，从图11中可以看出，在峰值荷载325kN时，梁体中FRP加固筋填充材料发生剥离，加固失效，但是延性高的AA加固筋则还能继续发挥加固效果，因此在荷载骤降后，依然能继续承受荷载，发挥加固作用。这一特点，使得混合加固用于抗震地区有很大的优势，它为结构提供了两道抗震防线，当大震来临时，FRP加固材料发生失效消耗掉大量能量，但是梁体依然能继续承载，抵抗结构自身荷载和余震。

本发明的具体优点是：

(1)本发明提出一种新型的加固用填充材料，本材料呈中性或弱碱性，可专门用于铝合金筋2的加固中，同样可作为FRP筋3的填充材料，对于某些不耐碱的FRP(如BFRP)同样宜使用此填充材料。采用纤维增强水泥基复合材料作为填充材料，具有速凝、强度高等优点，还可延长加固寿命，提高耐久性，最为重要的一点为代替结构胶使用，可大大降低造价。

(2)本发明中采用的两种高耐腐性加固材料(AA和FRP)和近表面加固法，可在室外环境、海洋环境等恶劣环境中很好的发挥其材料性能，加固筋亦可避免受到外界磨损、撞击和高温、火灾等意外作用，提升加固效果的耐久性；采用开槽加固，将加固筋埋于梁底或梁侧，加固筋与混凝土粘结面积增大，减小了粘结剥离破坏的可能性，改善了加固筋和混凝土的粘结性能，尽量发挥加固筋的材料性能，达到良好的加固效果。

(3)本发明提出侧表面加固法可用于某些底部有墙的钢筋混凝土梁中，对于加固强度不高的梁体，同样可以使用侧表面加固法。该方法加固过程简便易行，由于是在梁侧施工加固，可有效阻止结构胶或高性能砂浆等填充材料的流动，因此施工简单方便速度快，且不需大型施工机具，节省用工。从加固效果上，在保证适当的加固配筋率下，可避免无锚固近表面加固出现的剥离破坏，大大提高加固材料的利用率。

(4)侧表面加固法固然比近表面加固法优点多，但由于截面尺寸限制，仅靠侧表面加固的加固量可能达不到所要求的加固效果，故本发明采用近表面加固法和侧表面加固法混合加固，以满足加固要求。

(5)本发明所采用的铝合金筋2和FRP筋3混合加固，首先能很好的解决原有近表面加固中所采用FRP筋3加固造成延性变差，发生脆性破坏的问题，还有效解决了采用铝合金筋2加固效果略差的难题，最为重要的是采用铝合金筋2和FRP筋3混合加固为钢筋混凝土加固梁提供了多重抗震防线，有利于结构抗震。

(6)本发明提供了两套加固端部锚固方案，分别适用于不同的加固环境，并且安装方便，施工简单。端部锚固能有效解决近表面加固中出现劈裂剥离破坏，有效解决梁体开裂后，加固筋产生滑移致使加固材料不能充分利用的缺陷，大大提高加固材料的利用率。尤其用于采用纤维增强水泥基复合材料作为填充材料的加固结构中，解决了加固筋与填充材料之间较小粘结力引起的加固效果较差的难题，给加固筋提供拉力，使其参与梁体整体受力，发挥加固效果。采用AA、FRP材料以及纤维增强水泥基复合材料，并使用端部锚固，不仅能保证加固效果，还能提升加固结构的耐久性，因为结构胶的老化年限相对纤维增强水泥基复合材料小很多。

(7)本发明基于端部锚固，还提出了一套近表面预应力加固法的完整施工过程，方便对于某些不便于卸载的梁体使用，可使加固筋在加固初期就参与结构受力，有效利用加固结构。

(8)本发明基于混凝土结构知识，提供了完整的一套加固设计方法，可有效指导施工，简便易行。

Claims (10)

1.钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：包括在待加固的本体梁(1)的侧部沿纵向对称布置的若干根加固筋，或者在待加固的本体梁(1)的底部和侧部均沿纵向对称布置的若干根加固筋；加固筋包括铝合金筋(2)和FRP筋(3)，铝合金筋(2)与本体梁(1)之间以及FRP筋(3)与本体梁(1)之间均填充有填充材料(4)。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：本体梁(1)的端部或沿梁长方向通长包有若干层FRP布，形成U型箍。

3.根据权利要求2所述的钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：本体梁(1)经过倒圆角处理后再包FRP布，且倒圆角处理后的圆弧半径大于等于30mm；U型箍沿本体梁(1)梁长方向的宽度至少为3倍的梁高。

4.根据权利要求1所述的钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：加固筋的端部设置机械锚固结构，机械锚固结构包括安装在加固筋两端的锚具(11)，以及嵌入本体梁(1)的上锚板(9)和下锚板(10)，上锚板(9)和下锚板(10)通过锚栓(7)和挤压螺栓(8)相连，上锚板(9)和下锚板(10)的侧面上均开设有若干个梯形槽(12)，梯形槽(12)相对且能够形成用于固定加固筋的六边形通孔；锚具(11)采用楔形夹片式锚具。

5.根据权利要求1所述的钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：填充材料(4)采用加固用结构胶或纤维增强水泥基复合材料。

6.根据权利要求5所述的钢筋混凝土梁桥的加固结构，其特征在于：纤维增强水泥基复合材料包括胶凝材料、粗骨料、减水剂、聚乙烯醇纤维和水，其中，胶凝材料是由水泥和粉煤灰按质量比为555：680组成的；水与胶凝材料的质量比为0.24，粗骨料和胶凝材料的质量比为0.36，减水剂的体积是胶凝材料的体积的1.8％，聚乙烯醇纤维的体积是胶凝材料的体积的2％。

7.一种钢筋混凝土梁桥的加固方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)采用铝合金筋(2)和FRP筋(3)作为加固筋，进行加固配筋计算；

(b)根据计算的加固配筋结果取铝合金筋(2)和FRP筋(3)，对铝合金筋(2)进行预处理；

(c)在待加固的本体梁(1)底部和侧面开槽，在槽中先填入填充材料(4)，再将铝合金筋(2)和FRP筋(3)分别压入填充材料(4)内，一个槽中安装一根铝合金筋(2)或FRP筋(3)，铝合金筋(2)和FRP筋(3)对称布置；然后用填充材料(4)填满槽，压实抹平后固定成型。

8.根据权利要求7所述的一种钢筋混凝土梁桥的加固方法，其特征在于：步骤(a)中加固配筋计算具体包括：

(a01)先计算本体梁(1)的承载力M₀；

(a02)对于承载力需提高γ倍的混凝土梁，加固配筋计算如下：

k_aA_af_0.2(d_a-c)+k_fA_ff_f(d_f-c)＝(γ-1)M₀

其中，k_a为铝合金筋(2)的强度折减系数，当无端部锚固时，k_a＝0.4～0.6，当有端部锚固时，k_a＝0.8～0.9；f_0.2和A_a分别为铝合金筋(2)的名义屈服强度和加固面积；d_a为铝合金筋(2)到混凝土受压边缘的距离；k_f为FRP筋(3)的强度折减系数，当无端部锚固时，k_f＝0.6，当有端部锚固时，k_f＝0.8；f_f和A_f分别为FRP筋(3)的名义屈服强度和加固面积；d_f为FRP筋(3)到混凝土受压边缘的距离；c为中性轴高度。

9.根据权利要求7所述的一种钢筋混凝土梁桥的加固方法，其特征在于：步骤(b)中对铝合金筋(2)进行的预处理是采用喷砂、刻痕或氧化进行的表面粗糙度处理；步骤(c)中开的槽是方形槽(5)，方形槽(5)之间的距离大于或等于4倍的加固筋直径，方形槽(5)的边缘距离本体梁(1)的边缘大于等于30mm。

10.根据权利要求7所述的一种钢筋混凝土梁桥的加固方法，其特征在于：步骤(c)中，在待加固的本体梁(1)底部还开有用于安装机械锚固结构的凹槽；

机械锚固结构安装在加固筋的端部，包括安装在加固筋两端的锚具(11)，以及嵌入本体梁(1)的上锚板(9)和下锚板(10)，上锚板(9)和下锚板(10)通过锚栓(7)和挤压螺栓(8)相连，上锚板(9)和下锚板(10)的侧面上均开设有若干个梯形槽(12)，梯形槽(12)相对且能够形成用于固定加固筋的六边形通孔；机械锚固结构和加固筋的安装过程包括：

(co1)假定锚栓(7)根部混凝土压溃为锚固失效，锚栓(7)上受力按三角形分布，建立力的平衡：

解得：

其中N为单根锚栓所受拉力；f_s和A_s分别为加固筋屈服强度和截面面积；n₁为加固筋数量；n为锚栓根数；d和h分别为锚栓直径和锚栓入梁深度；f_c为混凝土抗压强度设计值；

由此确定锚栓(7)的数量和锚栓入梁深度；

(co2)在预定位置打入锚栓(7)，然后将穿过挤压螺栓(8)的下锚板(10)穿过锚栓(7)，并临时固定下锚板(10)；

(co3)对加固筋的两端用锚具(11)进行敲紧固定，将带有锚具(11)的加固筋压入填充材料(4)内，加固筋的端部将穿过下锚板(10)的梯形槽(12)，锚具(11)位于下锚板(10)的外侧且两者相接；再用填充材料(4)将下锚板(10)和加固筋之间的空隙进行密封，盖上上锚板(9)，拧紧挤压螺栓(8)上的螺母。