CN111622130B - 一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置及方法，包括机械锚固件和碳纤维板，所述的机械锚固件由底层钢板和顶层钢板、连接螺栓和配套预紧螺母组成，所述的底层钢板和顶层钢板相互平行，两者之间留有间隙；所述的碳纤维板依次穿过所述间隙，且与底层钢板和顶层钢板粘结在一起；连接螺栓的一端与底层钢板采用焊接方式进行连接，另外一端穿过顶层钢板预留的螺栓孔，通过预紧螺母对碳纤维板的侧面进行预紧；所述底层钢板较顶层钢板长度方向尺寸较小，在所述的顶层钢板还预留有2个梁体化学螺栓穿过孔，该孔与预先植入在待加固梁上化学螺栓配合。

Description

一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置及方法

技术领域

本发明涉及桥梁加固施工技术领域，具体涉及一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置及方法。

背景技术

目前常用的桥梁加固方法主要有粘贴碳纤维板加固、粘贴钢板加固、扩大截面等方法，其中粘贴碳纤维板加固法具有非常明显的优势，使用碳纤维板具有优异的力学性能和良好的经济效益，在结构工程中得到了广泛的应用，采用碳纤维板加固的特点：①高强度、高弹模，厚度薄、重量轻；②材料可任意长度，任意交叉，适应任意曲面和任意形状结构；③耐腐蚀性能好；④现场施工操作便捷，而且具有极高的工程推广应用价值。但已有研究发现，将碳纤维板直接粘贴在结构构件表面进行加固，混凝土与碳纤维板粘贴界面易发生剥离，直到构件破坏时碳纤维板中的拉应力仍然不高，材料的强度得不到很好的发挥。特别在实际加固工程中，如果被加固构件上存在着初始裂缝，此时若采用普通的碳纤维板加固方法，在二次受力过程中在裂缝附近容易发生碳纤维板的剥离问题，导致的加固失效，梁体的加固效果就更加不明显。

为了解决上述普通粘贴碳纤维板易剥离的问题，目前已有技术采用了分布式机械锚固件联合碳纤维板的加固技术，但发明人发现，该技术仍然存在着较多的争议：1)目前分布式锚固碳纤维板加固施工均在现场进行，受现场施工条件及工序限制，其加固施工过程要考虑到粘结胶体强度的变化，对施工进度产生一定影响，其施工便捷性有待进一步提高；2)在机械锚固件、碳纤维板及梁体锚固位置，锚固件对碳纤维板施加的预紧力是防止碳纤维板剥离的重要影响因素，然而锚固件对碳纤维板的预紧力大部分由现场施工人员手工操作，其扭矩对预紧力的关系无法明确，当施加的预紧力过小时，容易导致碳纤维板产生剥离、滑移等现象，影响施工质量及加固效果；3)碳纤维板和被加固梁体的粘贴界面由于化学结构胶的存在，其界面力学特性十分复杂，其加固设计机理并不明确。化学结构胶质量层次不齐，加固效果受化学结构胶材料成分的影响较大。常规粘胶工艺，虽然能实现桥梁不中断交通的加固，但是值得注意的是：车辆活载会引起桥梁振动，胶体凝固过程中无法保证胶体施工质量。

发明内容

本发明的目的是为克服现有加固技术的不足，提供一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置及方法，其施工方便快捷，大幅度缩短施工周期，可提前在工厂内标准化加工，保证钢扣件提供的预紧力能达到统一标准，使被加固结构受力合理有效，减少现场胶体施工误差带来的不利影响。本发明所述的加固技术受力机理明确，无需在现场进行胶体施工，通过机械锚固件对碳纤维板的预紧力及被加固梁化学螺栓对锚固件的预紧力，可有效抑制碳纤维板的剥离、滑移问题，提高界面抗剪强度，极大发挥材料特性，不改变原有结构刚度，加固效果明显。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提出了一种混凝土桥梁预应力分布式锚固装置，包括机械锚固件和碳纤维板，所述的机械锚固件由底层钢板和顶层钢板、2个连接螺栓和2个配套预紧螺母组成；

所述的底层钢板和顶层钢板相互平行，两者之间留有间隙；所述的碳纤维板依次穿过所述间隙，且与底层钢板和顶层钢板粘结在一起；所述的2个连接螺栓的一端与底层钢板采用焊接方式进行连接，另外一端穿过顶层钢板预留的螺栓孔，通过预紧螺母对碳纤维板的侧面进行预紧；所述底层钢板较顶层钢板长度方向尺寸较小，在所述的顶层钢板还预留有2个梁体化学螺栓穿过孔，该孔与预先植入在待加固梁上化学螺栓配合。

第二方面，本发明提出一种利用所述的桥梁加固装置对桥梁进行加固的方法，其特征在于，包括以下：

步骤1：预制桥梁加固装置；

步骤2：按照设计图纸在梁体预定的分布式锚固件位置，对基地混凝土进行局部切割处理，形成预留凹槽；在梁体上进行钻孔并植入化学螺栓，化学螺栓的位置与化学螺栓穿过孔位置对应；

步骤3：将安装好分布式机械锚固件的碳纤维板运至桥梁加固现场，可直接将机械锚固件顶层钢板的化学螺栓穿过孔对准梁体植入的化学螺栓，使碳纤维板均匀粘贴至设计加固区域；拧紧化学锚栓上的螺母，利用机械锚固件将碳纤维板与被加固梁压紧。

作为进一步的技术方案，所述的步骤1的过程如下：

先将底层钢板与碳纤维板的粘贴面分别涂结构胶，保证胶体厚度均匀统一，随后进行底层钢板和碳纤维板的粘贴；采用同样胶体涂抹方式，将顶层钢板与碳纤维板粘贴面分别涂抹胶体，将顶层钢板和碳纤维板的粘贴；机械锚固件连接螺栓通过开孔穿过顶层钢板将碳纤维板两侧密实紧压，随后采用标定扭矩后的智能电动扭力扳手将预紧螺母拧紧到设计扭矩。

作为进一步的技术方案，在所述的桥梁的梁体上预留多个凹槽，底层钢板位于该凹槽内；且在梁体上植入有化学螺栓，化学螺栓穿过桥梁加固装置上预留的化学螺栓穿过孔，且通过螺母紧固。

作为进一步的技术方案，沿桥梁中部位置向端部位置的方向，机械锚固件的分布密度逐渐减小。

相比较传统的先涂抹胶体再粘贴碳纤维板的加固方式，本发明无需在梁体加固区域涂抹结构粘结胶，可直接将装配好机械锚固件的碳纤维板安装至设计加固区域，采用电动扭力扳手将穿过化学螺栓的机械锚固件与被加固梁螺纹连接，保证被加固梁体与碳纤维板间达到设计的预紧力，避免了结构胶体硬化所影响的施工周期。

本发明中的一种分布式机械锚固碳纤维板快速加固桥梁方法与装置相比较传统的通过化学粘结胶体粘贴碳纤维板加固技术，其受力机理较为明确，首先通过机械锚固件的两块钢板对碳纤维板施加均匀的预紧力，有效抑制了碳纤维板的纵向滑移、错位问题，然后通过被加固梁的化学螺栓对机械锚固件及碳纤维板施加预紧力，由于化学锚栓对碳纤维板的销栓作用，将提高碳纤维板与混凝土界面的抗剪强度，可有效解决碳纤维板易剥离的问题。

本发明的有益效果：

1.本发明的一种分布式机械锚固碳纤维板快速加固桥梁方法，采用多个机械锚固件对碳纤维板施加预紧力，其机械锚固件安装工序可预先在工厂内组装，有效提高其锚固件的安装精度和质量，运抵施工现场后可直接进行安装加固施工，极大缩减了现场施工周期。

2.本发明的机械锚固件通过粘贴胶体和螺栓锚固两种方式将碳纤维板夹紧固定，保证碳纤维板受力均匀统一。碳纤维板通过机械锚固件与待加固梁植入的化学螺栓进行连接，最终使得机械锚固件、碳纤维板和待加固梁紧密结合，形成一个整体，共同承受外力，能够有效防止长时间使用后，碳纤维板从梁上脱离掉落，延长了梁的使用寿命，加固效果明显。

3.本发明的利用分布式机械锚固碳纤维板加固桥梁的快速施工方法，无需对待加固梁的加固面进行凿毛处理，极大避免了对梁体造成的损伤，仅在设计机械锚固件位置进行局部切割凹槽，将机械锚固件底部钢板置入梁体内，保证碳纤维板与混凝土表面紧密贴合，使待加固梁与碳纤维板之间不容易产生错位和滑移现象。

4.本发明的利用智能电动扭力扳手通过拧紧机械锚固件上的连接螺栓实现与碳纤维板压紧，可以保证锚固件件对碳纤维板施加统一均匀的压力，防止碳纤维板受力不均而导致倾斜现象。

5.本发明的其受力机理简单明确。通过机械锚固件的两块钢板对碳纤维板施加均匀的预紧力，有效抑制了碳纤维板的纵向滑移、错位问题，然后通过被加固梁的化学螺栓对机械锚固件及碳纤维板施加预紧力，由于化学锚栓对碳纤维板的销栓作用，将提高碳纤维板与混凝土界面的抗剪强度，可有效解决碳纤维板易剥离的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为步骤1安装分布式机械锚固件后碳纤维板侧视示意图；

图2为步骤1安装分布式机械锚固件后碳纤维板装配俯视示意图；

图3为步骤2、3中梁体粘贴面混凝土处理及碳纤维板粘贴施工过程正视示意图；

图4为步骤4后被加固梁与分布式机械锚固碳纤维板装配正视示意图；

图5为被加固梁与分布式机械锚固碳纤维板装配梁底仰视示意图；

图6为被加固梁与分布式机械锚固碳纤维板装配侧视示意图；

其中，1.待加固梁，2.结构胶，3.碳纤维板4.机械锚固件，5.化学螺栓，6.连接螺栓，7.底层钢板，8.顶层钢板，9.预紧螺母，10.化学螺栓配套螺母，11.锚栓连接孔，12.化学螺栓预留孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的碳纤维板锚固体系复杂，结构受力不利，且长时间使用后，碳纤维板容易剥落，影响加固效果，针对上述问题，本申请提出了一种分布式机械锚固碳纤维板快速加固桥梁技术。

实施例1

本申请的一种典型实施方式中，如图1所示，本实施例首先提出了一种桥梁加固装置，包括机械锚固件和碳纤维板，所述的机械锚固件由底层钢板和顶层钢板、2个连接螺栓和2个配套预紧螺母组成，

底层钢板7和顶层钢板8相互平行，两者之间留有间隙；所述的碳纤维板依次穿过所述间隙，且与底层钢板7和顶层钢板8粘结在一起；所述的2个连接螺栓6的一端与底层钢板7采用焊接方式进行连接，另外一端穿过顶层钢板8预留的螺栓孔(锚栓连接孔11)，通过预紧螺母9对碳纤维板的侧面进行预紧，连接螺栓6的间距要保证大于碳纤维板2的宽度；所述底层钢板较顶层钢板长度方向尺寸较小，在所述的顶层钢板还预留有2个梁体化学螺栓穿过孔(化学螺栓预留孔12)，该孔与预先植入在待加固梁上化学螺栓配合。

在此需要说明的是，连接螺栓的个数不限于本实施例中公开的2个，在其他实施例中，还可以是4个或者6个等，但是限于偶数个，多个连接螺栓分成两列，焊接在底层钢板7上。

在此需要说明的是，化学螺栓预留孔12的个数也不限于本实施例公开的两个，还可以是4个或者6个等，但是限于偶数个，化学螺栓预留孔12的个数与化学螺栓的个数相等。

进一步的，底层钢板7和顶层钢板8的厚度一般可控制在8mm左右，保证在连接螺栓6施加预紧力时，底层钢板7和顶层钢板8不发生弯曲变形。

具体的，加工方法是：在预制工厂内，采用智能胶体涂抹设备先将底层钢板7与碳纤维板3的粘贴面分别涂结构胶2，保证胶体2厚度均匀统一，胶体厚度一般控制在1mm，随后进行锚固件5和碳纤维板3的粘贴。采用同样胶体涂抹方式，将顶层钢板8与碳纤维板3粘贴面分别涂抹胶体2，机械锚固件连接螺栓6通过开孔11穿过顶层钢板8将碳纤维板3两侧密实紧压，随后采用标定扭矩后的电动扭力扳手将预紧螺母9拧紧到设计扭矩，两侧底层钢板7和顶层钢板8实现对碳纤维板3施加统一均匀的预紧力。

实施例2

基于上述装置，本实施例提出了一种分布式机械锚固碳纤维板快速加固桥梁方法，包括以下步骤：

步骤1：如图1图2所示，在工厂内按照设计图纸预制完成分布式机械锚固件4及碳纤维板3，并进行组装。

步骤2：如图3所示，按照设计图纸在梁体预定的分布式机械锚固件4位置，对基地混凝土进行局部切割处理，其为安装锚固件底层钢板7预留凹槽，凹槽厚度与底层钢板7厚度一致，使底层钢板7恰好安装至待加固梁1的梁体内，保证碳纤维板2紧密贴合混凝土表面。依照设计图纸在锚固件4相应位置进行钻孔并植入化学螺栓5，起到后续固定锚固件4的作用，进而对待加固梁1的梁体加固界面进行除尘洁净处理。同时按照设计图纸在相应位置进行钻孔、清孔、植入化学螺栓5等步骤。静置至化学螺栓7凝固稳定后，对待加固梁1的梁体表面粘贴位置进行除尘洁净处理。

步骤3：如图3所示，将安装好分布式机械锚固件4的碳纤维板3运至桥梁加固现场，可直接将机械锚固件4顶层钢板8的预留孔11对准梁体植入的化学螺栓5，使碳纤维板3均匀粘贴至设计加固区域。采用电动扳手拧紧化学锚栓5上的配套螺母10，利用机械锚固件4将碳纤维板3与待加固梁1压紧。

采用电动扭力扳手将化学螺栓5与待加固梁1连接，保证待加固梁1与碳纤维板3间达到设计的预紧力。

所述步骤1的具体步骤为：

如图1、图2所示，安装分布式机械锚固碳纤维板加固体系结构，其主要在于分布式机械锚固件4的结构构造。机械锚固件由两层钢板(底层钢板7、顶层钢板8)、两个机械锚固件连接螺栓6、预紧螺母9、两个锚栓连接孔11及两个化学螺栓预留孔12构成，其机械锚固件连接螺栓6与底层钢板7采用焊接方式进行连接，连接螺栓6的间距要保证大于碳纤维板2的宽度。底层钢板7、顶层钢板8厚度一般可控制在8mm左右，保证在连接螺栓6施加预紧力时，底层钢板7、顶层钢板8不发生弯曲变形。底层钢板7较顶层钢板8长度方向尺寸较小，顶层钢板8预留两个锚栓连接孔11及两个化学螺栓预留孔12，分别连接两个锚固件连接螺栓6和两个梁体化学螺栓5。所述机械锚固件连接螺栓6采用与所述开孔-相匹配的螺栓-，采用预紧螺母9拧紧方式与顶层钢板8螺纹连接。待加固梁1预先植入与顶层钢板的化学螺栓预留12相匹配的化学螺栓5，所述化学螺栓5通过化学螺栓预留12穿过顶层钢板8，最终机械锚固件4通过化学螺栓预留12与待加固梁1螺纹连接。

进一步的，所述步骤1中，如图1、图2所示，在预制工厂内，采用智能胶体涂抹设备先将底层钢板7与碳纤维板3的粘贴面分别涂结构胶2，保证胶体厚度均匀统一，胶体厚度一般控制在1mm，随后进行机械锚固件4和碳纤维板3的粘贴。采用同样胶体涂抹方式，将顶层钢板8与碳纤维板3粘贴面分别涂抹结构胶2，机械锚固件连接螺栓6通过开孔11穿过顶层钢板8将碳纤维板3两侧密实紧压，随后采用标定扭矩后的电动扭力扳手将预紧螺母9拧紧到设计扭矩，两侧的底层钢板7、顶层钢板8实现对碳纤维板3施加统一均匀的预紧力。

所述步骤2的具体步骤为：

如图3所示，所述化学螺栓5的使用具体方法为：先根据设计要求在待加固梁1上进行钻孔，孔径和孔深满足设计要求，用空气压力吹管等工具将孔内浮灰及尘土清除，保持孔内清洁，将化学螺栓5的药剂管放入开孔内，然后将化学螺栓5的螺杆部分穿过钢板，螺旋进入药剂管中，药剂管破碎，药剂管中的物料填充开孔，待开孔中的物料固化后，完成化学螺栓5的操作。

所述步骤3的具体步骤为：

如图3所示，将安装好分布式机械锚固件4的碳纤维板3运至桥梁加固现场，将机械锚固件4的顶层钢板8的预留孔11对准梁体植入的化学螺栓5，使碳纤维板3均匀粘贴至设计加固区域。采用电动扳手拧紧化学锚栓5上的螺母，利用机械锚固件4将碳纤维板3与被加固梁1压紧，使多个分布式机械锚固件4以设定的统一的压力压紧碳纤维板3。

所述步骤3中，由于梁1的中部位置挠度变形较大，端部位置挠度变形较小，因此沿待加固梁1跨中部位置向支座位置的方向，机械锚固4的分布密度逐渐减小，既保证了机械锚固件4和碳纤维板3对待加固梁1的加固效果，又节省了机械锚固件4的使用数量，降低了施工成本。

最终被加固梁达到图5、图6的加固效果。

在所述的桥梁的梁体上预留多个凹槽，底层钢板位于该凹槽内；且在梁体上植入有化学螺栓，化学螺栓穿过桥梁加固装置上预留的化学螺栓穿过孔，且通过螺母紧固。

沿桥梁中部位置向端部位置的方向，机械锚固件的分布密度逐渐减小。

本实施例的施工方法，克服了传统分布式机械锚固碳纤维板加固方式需进行大量现场施工操作的缺陷，结构关键锚固部位均可在工厂内标准化生产，有效提高了安装精度和施工质量，可快捷进行桥梁现场的施工，大幅度缩短施工周期。且该加固技术使碳纤维板、机械锚固件及被加固梁有效结合为一个整体，共同受力，对梁的加固效果好，长时间使用后，碳纤维板在机械锚固件的预紧作用下，有效抑制碳纤维板的剥离问题，延长了梁的使用寿命。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种桥梁加固方法，其特征在于，采用混凝土桥梁预应力分布式锚固装置，所述混凝土桥梁预应力分布式锚固装置包括机械锚固件和碳纤维板，所述的机械锚固件由底层钢板、顶层钢板、至少2个连接螺栓和至少2个配套预紧螺母组成；

所述的底层钢板和顶层钢板相互平行，两者之间留有间隙；所述的碳纤维板依次穿过所述间隙，且与底层钢板和顶层钢板粘结在一起；连接螺栓的一端与底层钢板采用焊接方式进行连接，另外一端穿过顶层钢板预留的螺栓孔，通过预紧螺母对碳纤维板的侧面进行预紧；所述底层钢板较顶层钢板长度方向尺寸较小，在所述的顶层钢板还预留有梁体化学螺栓穿过孔，该孔与预先植入在待加固梁上化学螺栓配合；

加固方法包括以下步骤：

步骤1：预制桥梁加固装置；

步骤2：按照设计图纸在梁体预定的分布式锚固件位置，对基底混凝土进行局部切割处理，形成预留凹槽；在梁体上进行钻孔并植入化学螺栓，化学螺栓的位置与化学螺栓穿过孔位置对应；

步骤3：将安装好分布式机械锚固件的碳纤维板运至桥梁加固现场，可直接将机械锚固件顶层钢板的化学螺栓穿过孔对准梁体植入的化学螺栓，使碳纤维板均匀粘贴至设计加固区域；拧紧化学锚栓上的螺母，利用机械锚固件将碳纤维板与被加固梁压紧。

2.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，所述底层钢板和顶层钢板的厚度满足在螺栓施加预紧力时，钢板不发生弯曲变形。

3.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，连接螺栓的间距要保证大于碳纤维板的宽度。

4.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，在桥梁的梁体上预留多个凹槽，底层钢板位于该凹槽内；且在梁体上植入有化学螺栓，化学螺栓穿过桥梁加固装置上预留的化学螺栓穿过孔，且通过螺母紧固。

5.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，沿桥梁中部位置向端部位置的方向，机械锚固件的分布密度逐渐减小。

6.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，步骤1的过程如下：

先将底层钢板与碳纤维板的粘贴面分别涂结构胶，保证胶体厚度均匀统一，随后进行底层钢板和碳纤维板的粘贴；采用同样胶体涂抹方式，将顶层钢板与碳纤维板粘贴面分别涂抹胶体，将顶层钢板和碳纤维板的粘贴；机械锚固件连接螺栓通过开孔穿过顶层钢板将碳纤维板两侧密实紧压，随后采用标定扭矩后的电动扭力扳手将预紧螺母拧紧到设计扭矩。

7.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，所述的凹槽厚度与底层钢板厚度一致，使底层钢板安装至梁体内，保证碳纤维板紧密贴合混凝土表面。

8.如权利要求1所述的一种桥梁加固方法，其特征在于，步骤3中，沿待加固梁中部位置向端部位置的方向，机械锚固件的分布密度逐渐减小。

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