CN111608093B - 一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，包括如下步骤：步骤1：清理并凿除桥梁端部的沥青铺装层及调平层混凝土；步骤2：在空心板梁加固段顶板开设浇筑孔，通过浇筑孔对空心板梁加固段空腔内混凝土进行凿毛，然后在空心板梁加固段空腔的两端进行封堵；步骤3：钻植筋孔，在植筋孔植入抗剪钢筋；步骤4：在所有需要浇筑混凝土的既有混凝土表面喷水湿润；步骤5：用高性能微膨胀自密实混凝土从浇筑孔进行浇筑；步骤6：在桥面调平层位置铺装钢筋网片；步骤7：用高性能补偿收缩混凝土浇筑调平层；步骤8：铺装沥青层，开放交通。本发明加固结构的抗剪承载力、抗剪刚度以及抗疲劳性能得到大幅度提升。

Description

一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法
技术领域
本发明涉及高性能复合材料与桥梁维修加固技术领域，具体说是一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法。
背景技术
混凝土空心板梁被广泛的用于桥梁建设，它的优点在于自重较轻，造价低，制作工艺成熟，安装方便。
近年来，随着交通运输的高速发展、材料老化、环境侵蚀、长期荷载效应、疲劳效应、突变效应以及与地震、台风等自然灾害因素的耦合，将不可避免地导致桥梁结构的损伤积累和抗力衰减，从而降低其正常使用功能和安全性能，极端情况下极易引发灾难性的突发事故。对于使用较为广泛的空心板梁桥来说，最易出现的病害是裂缝和铰缝的破损。而由于空心板梁抗剪承载力不足所导致的截面斜裂缝是裂缝病害的一种，在实际工程中较难处理，如果不对此类桥梁进行维修加固，桥梁的正常使用和安全性就无法保证。因此，如何提高空心板梁桥的抗剪承载力，以及经济有效的加固技术，都是亟待解决的问题。
针对空心板梁抗剪承载力不足的问题，一些加固技术和材料已经被应用到实际工程中，如增大截面法，横向粘钢加固法，黏贴碳纤维布加固技术，以及体外预应力加固法等。但这些加固方法都存在一定局限性，在实际工程中显得无法适用。其中，普通增大截面法，不管是在梁顶增大截面还是在腹板增大截面，都会出现施工周期长，新老混凝土结合能力差，易造成二次破坏等问题；横向粘钢加固法是用胶黏剂及锚栓将钢板横桥向垂直粘贴锚固在梁底，靠钢板承担横向联系的作用，反复荷载作用下易造成钢板与混凝土脱离，加之铰缝破损后会造成雨水侵蚀作用，加固效果逐渐衰退，且横向粘钢加固法主要改善桥梁的横向联系作用，对抗剪承载力的提高有限；黏贴碳纤维布加固技术在较大荷载下基材粘结效果较难保证，单一使用此材料加固对抗剪桥梁抗剪承载力的提高微乎其微；体外预应力加固施工较复杂，成本高，锚具易被破坏，且外观效果差。以上几种加固方法都有各自的弊端，在实际工程中应用的有效性有限。因此，开发出一种设计合理，施工方便，效果优异的提高空心板梁抗剪承载力的加固方法，具有很大的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术上的缺陷，提供一种在孔洞内灌注高性能微膨胀自密实混凝土，并通过抗剪钢筋在既有桥梁支座附近形成整体的抗剪加固及施工方法。该方法能有效补偿由于腹板开裂引起刚度下降及承载能力降低，提高了加固部位与既有结构整体性及长期耐久性。为板梁桥等类似桥梁结构提供了一种可靠的抗剪加固及修复施工方法和技术手段。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，包括如下几个步骤：
步骤1：清理并凿除桥梁端部的沥青铺装层及调平层混凝土；
步骤2：根据设计图纸，对开孔位置进行测量放样，所述开孔分别是开浇筑孔和植筋锚固孔，在空心板梁加固段顶板开设浇筑孔，并钻设植筋锚固孔，开孔完成后通过浇筑孔对空心板梁加固段空腔内混凝土进行凿毛，凿除浮浆层，然后在空心板梁加固段空腔的两端进行封堵，完成后将空腔内垃圾清理；
步骤3：钻植筋孔，在植筋孔植入抗剪钢筋，植筋包括植于空腔表面的水平钢筋和竖向钢筋，并灌注粘结剂进行固定，在所述空腔内植筋并绑扎钢筋，形成钢筋骨架；
步骤4：在所有需要浇筑混凝土的既有混凝土表面喷水湿润，不宜在既有混凝土坑洼处形成积水，等既有混凝土表面微干后喷洒界面剂；
步骤5：用高性能微膨胀自密实混凝土从浇筑孔进行浇筑，材料无需振捣，可实现自流平、自密实；
步骤6：在桥面调平层位置铺装钢筋网片，同时将钢筋网片与植入的抗剪钢筋和空腔内钢筋骨架进行焊接，清理调平层的碎石和灰尘，同时喷水湿润和喷洒界面剂；
步骤7：用高性能补偿收缩混凝土浇筑调平层，同时注意标高检查，将混凝土充分振捣并抹平，洒水养护24小时；
步骤8：铺装沥青层，开放交通；
所述的高性能微膨胀自密实混凝土材料成分组成为：52.5硅酸盐水泥400～450份，水150～200份，细料500～700份，粗集料700～750份，钢纤维30～50份，减水剂0.5～2份，膨胀剂40～50份，早强剂0.5份；
所述高性能补偿收缩混凝土成分组成为：52.5硅酸盐水泥470～500份，水130～160份，细集料500～650份，粗集料800～900份，活性掺合料25～30份，钢纤维50～80份，PVA纤维0.5～1.5份，减水剂0.5～2份，膨胀剂40-50份，早强剂0.5份。
所述浇筑孔，设置在桥梁两端去除沥青铺装层及调平层混凝土层后露出的空心板梁加固段上，包括多个，多个浇筑孔沿所述空心板梁加固段长度方向均匀间隔布置，每个浇筑孔均沿所述空心板梁加固段的顶板向下开设，且所述浇筑孔与空心板梁内部空腔相连通；两端浇筑孔外边沿离梁体端部封堵位置的距离l1控制在0.25d～0.45d之间，中间两相邻浇筑孔的相邻边缘的距离l2控制在0.85d～1.35d，d为微膨胀自密实混凝土的标准塌落扩展度；
所述抗剪钢筋竖向设置在所述空心板梁加固段的上表面，包括多个，多个抗剪钢筋沿空心板梁加固段长度方向均匀间隔布置；
所述钢筋骨架包括多个，空心板梁加固段的空腔内位于每个所述浇筑孔处设有一个所述钢筋骨架，所述钢筋骨架的上端具有延伸部，所述延伸部伸出所述浇筑孔设置；
所述钢筋网片平铺在空心板梁加固段上部，所述钢筋网片分别与所述抗剪钢筋、钢筋骨架上的延伸部之间焊接连接；
所述高性能微膨胀自密实混凝土，通过所述浇筑孔设置在空心板梁加固段的空腔中；
所述高性能补偿收缩混凝土层，浇筑于空心板梁加固段上表面，形成调平层；
所述沥青层位于所述高性能补偿收缩混凝土层之上。
所述浇筑孔的横截面呈矩形，所述矩形的长寸为5cm～30cm，矩形的宽为5cm～40cm；抗剪钢筋的间距为10cm～20cm。
所述空心板梁加固段的上表面开设有植筋锚固孔，所述抗剪钢筋的一部分植入在所述植筋锚固孔内，另一部分伸出空心板梁加固段的上表面设置。
所述抗剪钢筋和钢筋网片选用三级螺纹钢。
空心板梁加固段的所述空腔内表面涂覆增加新混凝土界面结合能力的界面剂。
所凿除的路面沥青层及调平层混凝土部分为梁端1/8～1/4梁长范围内；空腔内浇筑的混凝土部分同样为梁端1/8～1/4梁长范围。
顶板浇筑孔为沿纵向非连续，采用水刀切割配合人工凿除进行开孔；植筋孔采用人工钻孔的方式进行。
所选用的钢筋粘结剂为环氧类植筋胶，界面剂选用微膨胀自愈合专用界面剂。
所述高性能微膨胀自密实混凝土的粗集料选用粒径为5-10mm的卵石或碎石，所述钢纤维选用直径0.5mm，长度30mm的镀铜钢纤维。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、从加固可行性来看，本发明提供了一种有效且可行的空心板梁抗剪加固方法，而目前实际工程中，空心板梁抗剪加固相对较少，且难以有效实施；本发明所用材料为早强型混凝土材料，强度上升快，相对缩短了施工周期；此外，在空腔内灌注混凝土相当于增大了桥梁的抗剪截面，因此增加了桥梁抗剪与抗弯刚度。
2、从加固有效性来看，通过空腔“植筋+高性能混凝土”的加固方法，一方面，空腔灌浆增大了桥梁的受力截面，加上抗剪钢筋的植入，极大提高了空心板梁的抗剪承载力。此外，桥面铺装层设置的钢筋网片与植入空腔的抗剪钢筋相连接，加上路面高性能补偿收缩混凝土的浇筑，使各空心板梁之间能有效传递剪力，与桥面结合形成整体，避免了单板受力的情况，从而保证全桥的整体受力，因此本发明对桥梁横向联系也有不同程度的提高。
3、从材料性能与施工便捷性来看，本发明中在空腔内使用的高性能微膨胀自密实混凝土和调平层浇筑所用的高性能补偿收缩混凝土属于早强型混凝土，强度上升快，养护条件简单，且养护时间短，极大的缩短了封闭交通的时间，能够在短时间内完成加固，降低对交通的影响。
本发明早强剂和钢纤维都能增加混凝土强度，钢纤维和PVA纤维可以增加混凝土的抗裂性能和韧性，而活性掺合料可以增加混凝土耐久性。
4、从经济性来看，本发明在施工过程中无需高温养护，节省了一笔因高温养护带来的开支。施工速度快，可以快速开放交通，减少了因交通管制产生的费用。加固之后无需后期的维护管养，降低了运营成本，具有显著的经济效益。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明整体桥面板凿除及开孔示意图；
图2是本发明植入抗剪钢筋及钢筋网片示意图；
图3是本发明布置钢筋网片俯视图；
图4是本发明浇筑混凝土剖视图；
图5是本发明空腔内植筋及绑扎钢筋骨架的局部示意图；
图6是本发明空腔表面植入抗剪钢筋局部示意图；
图7实施例加固前后主拉应力对比；
图8为空心板梁上开浇筑孔后的结构示意图；
附图标记：1-空心板梁，2-空腔，3-浇筑孔，4-植筋孔，5-桥面沥青层，6-调平层，7-抗剪钢筋，8-空腔内钢筋骨架，9-钢筋网片，10-高性能微膨胀自密实混凝土，11-高性能补偿收缩混凝土；l1为两端浇筑孔外边沿离梁体端部封堵位置的距离；l2为中间两相邻浇筑孔的相邻边缘的距离。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明的优选实施例,对本发明技术方案进行更加详细的描述，实施例选取的是2019年某高速公路空心板梁桥抗剪加固项目，通过加固前后的荷载实验对加固方法的效果进行验证。需要指出的是：所描述的实施例只是本发明的一种实施例,是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。所选取的实施例梁长为20米，截面形式为圆形，而对于其它不同长度、截面形式为方形、椭圆形等的空心板梁桥，本发明所述的方法同样适用。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
如图1所示的某高速公路空心板梁桥，清理并凿除桥梁端部的沥青铺装层5及调平层混凝土6，凿除长度根据实际情况定，基本控制在梁端1/8～1/4梁长范围内。这个浇筑长度就是指梁端1/8～1/4梁长范围，比如梁长20米，则两端各浇筑2.5米～5米。本实施例中凿除长度为梁端1/4梁长范围，即桥梁两端各凿除5米。
根据设计图纸，对空心板梁顶板开孔位置进行测量放样，开设浇筑孔3并钻设植筋锚固孔4。顶板浇筑孔为沿纵向非连续，采用水刀切割配合人工凿除的方法进行开孔，不得损坏原有结构钢筋；植筋孔采用人工钻孔的方式进行。浇筑孔尺寸为5cm～30cm*5cm～40cm，具体尺寸根据现场情况进行调整，植筋孔间距为10～20cm。
开孔完成后要将开孔位置处空腔内混凝土表面的浮浆清除并凿毛，然后在空心板梁空腔两端与凿除的调平层齐平的位置进行封堵，这样做的目的是为了保证空腔内浇筑的混凝土只加固梁端所设计的1/8～1/4梁长这一段。完成后将腔内垃圾彻底清理并使用水枪冲洗，废水经设置在底板的检查孔排出，清理完毕后要喷洒界面剂。如图2和6所示，在植筋锚固孔4植入抗剪钢筋7，并灌注环氧类粘钢胶进行固定，然后在空腔2内植筋并绑扎钢筋，形成钢筋骨架8，具体操作是通过浇筑孔在里面绑扎，纵向钢筋也是通过浇筑孔穿进去，如图5所示。
用高性能微膨胀自密实混凝土10从浇筑孔3进行浇筑，材料无需振捣，可实现自流平、自密实。需要指出的是为了保证流动性，在空腔内所浇筑的混凝土材料的粗骨料优先选用粒径5～10mm左右的卵石或者碎石，浇筑效果如图4所示。
所述的高性能微膨胀自密实混凝土材料成分组成为：52.5硅酸盐水泥400～450份，水150～200份，细料500～700份，粗集料700～750份，钢纤维30～50份，减水剂0.5～2份，膨胀剂40～50份，早强剂0.5份；
所述高性能补偿收缩混凝土成分组成为：52.5硅酸盐水泥470～500份，水130～160份，细集料500～650份，粗集料800～900份，活性掺合料25～30份，钢纤维50～80份，PVA纤维0.5～1.5份，减水剂0.5～2份，膨胀剂40-50份，早强剂0.5份。
如图2和3所示，在空腔内的混凝土浇筑完毕后，在桥面调平层位置铺装钢筋网片9，同时将钢筋网片9与植入的抗剪钢筋7和空腔内钢筋骨架8进行焊接，提高整体性。清理调平层的碎石和灰尘，同时喷洒水和界面剂。用高性能补偿收缩混凝土11浇筑调平层，同时注意标高检查，将混凝土充分振捣并抹平，洒水养护24小时。最后铺装沥青层，开放交通。
为了更进一步阐述本发明，给出了实施例中材料性能及加固空心板梁桥部分荷载试验结果。高性能微膨胀自密实混凝土材料的力学性能如表1所示。
高性能补偿收缩混凝土材料的力学性能如表2所示。通过加固前后的荷载实验得到的主拉应力结果如图7和表3所示。通过荷载实验的结果可以看出，加固后腹板主拉应力比加固前下降50％以上，因此本发明的方法对空心板梁的抗剪承载力和桥梁刚度有极大的提高。
表1
Figure BDA0002501965850000071
表2
Figure BDA0002501965850000072
Figure BDA0002501965850000081
表3
荷载等级 加固前(MPa) 加固后(MPa) 减小比例
一级 1.04 0.36 65％
二级 1.28 0.48 62％
三级 1.36 0.55 60％
四级 1.40 0.64 54％

Claims (8)

1.一种基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，包括如下几个步骤：
步骤1：清理并凿除桥梁端部的沥青铺装层及调平层混凝土；
步骤2：根据设计图纸，对开孔位置进行测量放样，所述开孔分别是开浇筑孔和植筋孔，在空心板梁加固段顶板开设浇筑孔，并钻设植筋孔，开孔完成后通过浇筑孔对空心板梁加固段空腔内混凝土进行凿毛，凿除浮浆层，然后在空心板梁加固段空腔的两端进行封堵，完成后将空腔内垃圾清理；
步骤3：钻植筋孔，在植筋孔植入抗剪钢筋，并灌注粘结剂进行固定，通过浇筑孔，在所述空腔内放置纵向钢筋和水平钢筋，通过绑扎形成钢筋骨架；
步骤4：在所有需要浇筑混凝土的既有混凝土表面喷水湿润，不宜在既有混凝土坑洼处形成积水，等既有混凝土表面微干后喷洒界面剂；
步骤5：用高性能微膨胀自密实混凝土从浇筑孔进行浇筑，材料无需振捣，可实现自流平、自密实；
步骤6：在桥面调平层位置铺装钢筋网片，同时将钢筋网片与植入的抗剪钢筋和空腔内钢筋骨架进行焊接，清理调平层的碎石和灰尘，同时喷水湿润和喷洒界面剂；
步骤7：用高性能补偿收缩混凝土浇筑调平层，同时注意标高检查，将混凝土充分振捣并抹平，洒水养护24小时；
步骤8：铺装沥青层，开放交通；
所述的高性能微膨胀自密实混凝土材料成分组成为：52.5硅酸盐水泥400~450份，水150~200份，细料500~700份，粗集料700~750份，钢纤维30~50份，减水剂0.5~2份，膨胀剂40~50份，早强剂0.5份；
所述高性能补偿收缩混凝土成分组成为：52.5硅酸盐水泥470~500份，水130~160份，细集料500~650份，粗集料800~900份，活性掺合料25~30份，钢纤维50~80份，PVA纤维0.5~1.5份，减水剂0.5~2份，膨胀剂40-50份，早强剂0.5份；
所述浇筑孔，设置在桥梁两端去除沥青铺装层及调平层混凝土层后露出的空心板梁加固段上，包括多个，多个浇筑孔沿所述空心板梁加固段长度方向均匀间隔布置，每个浇筑孔均沿所述空心板梁加固段的顶板向下开设，且所述浇筑孔与空心板梁内部空腔相连通；两端浇筑孔外边沿离梁体端部封堵位置的距离l1控制在0.25d~0.45d之间，中间两相邻浇筑孔的相邻边缘的距离l2控制在0.85d~1.35d，d为微膨胀自密实混凝土的标准塌落扩展度；
所述抗剪钢筋竖向设置在所述空心板梁加固段的上表面，包括多个，多个抗剪钢筋沿空心板梁加固段长度方向均匀间隔布置；
所述钢筋骨架包括多个，空心板梁加固段的空腔内位于每个所述浇筑孔处设有一个所述钢筋骨架，所述钢筋骨架的上端具有延伸部，所述延伸部伸出所述浇筑孔设置；
所述钢筋网片平铺在空心板梁加固段上部，所述钢筋网片分别与所述抗剪钢筋、钢筋骨架上的延伸部之间焊接连接；
所述高性能微膨胀自密实混凝土，通过所述浇筑孔设置在空心板梁加固段的空腔中；
所述高性能补偿收缩混凝土层，浇筑于空心板梁加固段上表面，形成调平层；
所述沥青层位于所述高性能补偿收缩混凝土层之上；
所述空心板梁加固段的上表面开设有植筋孔，所述抗剪钢筋的一部分植入在所述植筋孔内，另一部分伸出空心板梁加固段的上表面设置。
2.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，所述浇筑孔的横截面呈矩形，所述矩形的长寸为5cm~30cm，矩形的宽为5cm~40cm；抗剪钢筋的间距为10cm~20cm。
3.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，所述抗剪钢筋和钢筋网片选用三级螺纹钢。
4.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，空心板梁加固段的所述空腔内表面涂覆增加新混凝土界面结合能力的界面剂。
5.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，所凿除的路面沥青层及调平层混凝土部分为梁端1/8~1/4梁长范围内；空腔内浇筑的混凝土部分同样为梁端1/8~1/4梁长范围。
6.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，顶板浇筑孔为沿纵向非连续，采用水刀切割配合人工凿除进行开孔；植筋孔采用人工钻孔的方式进行。
7.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，所选用的钢筋粘结剂为环氧类植筋胶，界面剂选用微膨胀自愈合专用界面剂。
8.根据权利要求1所述的基于高性能复合材料的空心板梁抗剪加固方法，其特征在于，所述高性能微膨胀自密实混凝土的粗集料选用粒径为5-10mm的卵石或碎石，所述钢纤维选用直径0.5mm，长度30mm的镀铜钢纤维。
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