CN111676843A - 用于桥墩、桩基加固的frp膜壳及水下结构加固施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，由若干预制FRP管片，经管片边缘的快速连接搭扣拼接组成的筒状结构，FRP管片具有纤维布外层和网格中间层，以及填充于纤维布及网格内的树脂。该膜壳应用在水下结构加固施工中，利用快速连接搭扣在水面以上拼装FRP膜壳，下沉包围水下桥墩、桩基并填充混凝土。本发明充分利用FRP轻质、耐腐蚀、易成型等优点，应用在水下结构加固中，既提升了桥墩、桩基加固施工的效率，又增强了桥墩的承载力、抗震性能和耐久性能。

Description

用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳及水下结构加固施工方法

技术领域

本发明涉及一种水下加固结构件及加固方法，具体涉及一种用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，以及使用FRP膜壳加固的水下结构的施工方法。

背景技术

随着运行时间的增长和交通量的与日俱增，桥梁水下结构受到河水冲刷、淘刷、磨损、气蚀、严寒地区的冻融和侵蚀、船舶碰撞、浮冰及地震袭击、环境载荷（如生物附着）和工作载荷等，容易导致各类损伤缺陷，且不易被发现。调查发现，在上部结构基本能满足使用要求的条件下，许多桥梁水下桥墩、桩柱会出现不同程度的混凝土表面脱落、蜂窝、裂缝、露筋、淘空等病害，这些损伤、缺陷将导致桥梁承载能力和耐久性能的降低，严重危及使用安全。因此，对水下结构的加固维修应引起高度的重视。

为了简化水下结构的维修加固工艺、减少水下作业时间、缩短施工工期、降低水下结构加固对航道交通的影响，发明人在中国专利ZL201410137461.3中提供了预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法。

针对涉水桩病害问题，发明人持续进行水下加固成套技术研究，结合理论研究与工程实践验证，进一步提升施工效率与加固效果。

发明内容

发明目的：为了提升水下桥墩加固的施工效率与防护效果，本发明提供一种用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，是由若干预制FRP管片，经管片边缘的联接结构拼接组成的筒状结构，所述FRP管片具有纤维布外层和网格中间层，以及填充于纤维布及网格内的树脂。

其中，联接结构的一种结构形式是快速连接搭扣，所述快速连接搭扣间隔地固定在外加强板上，所述外加强板固定安装在FRP管片的边缘。还包括内加强板，所述外加强板和内加强板夹设在FRP管片边缘，在内加强板上固定连接插板，所述外加强板、内加强板和插板经螺栓穿装固定在FRP管片边缘。

联接结构的另一种结构形式，是贯穿FRP管片边缘及其金属夹层的螺栓孔，以及纵向连接板和环向连接板，所述纵向连接板上具有两组纵向连接孔，每组纵向连接孔分别对应一对半圆形FRP管片上纵向布置的螺栓孔，一对半圆形FRP管片经由纵向连接板和螺栓首尾相接组成环形加固壳体；

所述环向连接板上具有两组环向连接孔，每组环向连接孔分别相邻环形加固壳体FRP管片上的环向布置的螺栓孔，若干环形加固壳体的底部和顶部经由环向连接和螺栓板依次连接并延伸。

具体地，所述纵向连接板是成对使用的金属夹板，所述环向连接板是成对使用的金属圆箍，所述纤维布选用玻璃纤维布、碳纤维布或玄武岩纤维布。

本发明同时提供一种FRP膜壳加固水下结构，包括环绕水下桥墩、桩基布置的限位装置、混凝土和FRP膜壳；

所述限位装置包括抱箍和限位筋，所述抱箍沿桥墩、桩基高程间隔安装，所述限位筋在抱箍外侧沿桥墩的辐向分布；FRP膜壳安装后，为了保证填充层混凝土厚度均匀，做了此限位装置。它和混凝土桩的连接是用螺栓锚固。

所述FRP膜壳由若干半圆形的预制FRP管片拼接而成，在FRP管片的边缘布置联接结构；

一对预制FRP管片通过纵向布置的联接结构首尾相接组成环形加固壳体，若干环形加固壳体的底部和顶部通过环向布置的联接结构连接延伸；

所述混凝土填充在桥墩（桩基）、限位装置与FRP膜壳之间。具体地，所述联接结构是快速连接搭扣，所述快速连接搭扣间隔地固定在外加强板上，所述外加强板固定安装在预制FRP管片的边缘。可以在预制FRP管片的接缝内填充树脂，。

本发明进一步提供上述水下结构加固施工方法，

在水面以上拼装FRP膜壳，是在需要加固的圆形桥墩、桩基外侧搭设回字形脚手架平台，在平台上进行FRP膜壳的拼装操作；

拼装第一环，膜壳制作成型是半圆形，将两个半环FRP膜壳围绕桩柱一周，通过两端搭扣拼接形成第一环膜壳；

膜壳下沉，同样的方法将第二环拼装完成，环向连接板上的搭扣将第二环与第一环首尾相接，将第一环下沉至水中，第二环的顶部超出水面一定距离；

以此方法，每拼好两环下沉至最上层膜壳的上边缘超出水面，便于拼接下一环；

最后在膜壳与水下桥墩、桩基的间隙灌注不分散混凝土。

有益效果：本发明利用FRP(纤维增强复合材料)轻质、耐腐蚀、易成型等特性，尤其适合应用在既有桥墩、桩基加固施工中，方便施工人员在桥墩水上、水下部分环绕拼接，采用模块化的分片/分段设计，在水面上方逐段/节拼接后，吊装下沉并环绕在水下桥墩的周围，在空隙灌注混凝土后，FRP管约束加固混凝土可以有效提高结构构件的承载力、抗震性能和耐久性能。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

图1是本发明实施例1中拼装后FPR膜壳的结构示意图；

图2是图1的A-A局部剖视图；

图3是图1中B部的局部放大图；

图4是限位装置的结构示意图；

图5是FRP膜壳加固桥墩、桩基结构的剖面图

图6是本发明实施例2的FRP膜壳的结构示意图；

图7是图6的立体图；

图8是图6中纵向连接节点的局部放大图；

图中：FRP管片1，上节管片1-1，下节管片1-2，纵向连接板2，环向连接板3，螺栓4，铝合金抱箍5，外加强板51，内加强板52，插板53，连接搭扣6，抱箍7，限位钢筋8，填充混凝土9，待加固桩10。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，其中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

实施例1

本实施的FRP膜壳如图1所示，是由若干预制FRP管片1，经管片边缘铝合金抱箍5上的连接搭扣6拼接组成的筒状结构，FRP管片1具有纤维布外层和网格中间层，以及填充于纤维布及网格内的树脂。

连接节点处的结构图2所示，在FRP管片边缘布置用螺栓4依次贯穿连接外加强板51、内加强板52和插板53，在连接搭扣6从外部连接相邻的管片时，插板53在内部提供导向和限位作用。快速连接搭扣6的结构如图3所示，直接采购现有的卡箍搭扣/自锁锁扣。

如图4所示，限位装置包括钢抱箍7和限位钢筋8，抱箍7可以采用螺栓4连接的哈夫结构，或者也采用搭扣联接，抱箍7沿待加固桩10高程间隔50cm安装一道，材质选用普通钢板，焊接钢筋作限位筋8，在抱箍7外侧沿桥墩的辐向分布。

如图5所示，FRP管片1加固的水下结构，还包括嵌入待加固桩10及拼接FRP膜壳之间的限位装置（抱箍7）和填充混凝土9。

实施例2

本实施的FRP膜壳如图1和图2所示，包括若干半圆形的FRP管片1，在FRP管片的边缘具有预埋金属夹层，并布置贯穿FRP管片与金属夹层的纵向螺栓孔和环向螺栓孔；一对半圆形FRP管片通过纵向连接板2首尾相接组成环形加固壳体，若干环形加固壳体的底部和顶部通过环向连接板2固定连接延伸；

在纵向连接板上2具有两组纵向连接孔，每组纵向连接孔分别对应一个半圆形FRP管片上的纵向螺栓孔；

在环向连接板上3具有两组环向连接孔，每组环向连接孔分别相邻环形加固壳体FRP管片上的环向螺栓孔。

如图3所示，先进行环向拼接，现在拼接范围内涂抹粘结树脂；两个半圆膜壳对接，膜壳内外侧铺纵向连接板2，安装并拧紧螺栓4，以纵向连接板2边缘挤压出粘结剂为宜，这样形成一个环。

环与环之间的拼接通过竖向螺栓以及粘结树脂，拼接方式同环向。按照要求拼接成需要的长度，完成拼装。

实施例3

FRP膜壳采用网格和纤维布制作。纤维布的类型可以选用玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维等，以玄武岩纤维布为例，玄武岩纤维布拉伸强度2300MPa，弹性模量80GPa，延伸率2.7%。定义BFRP膜壳一节为一个单元，直径可根据需要设计，由BFRP布与环氧树脂复合而成，每节高度可设置1~0.5m，纵向拼接至需要的加固设计高度。膜壳内侧的骨架采用BFRP纤维网格。纵向采用螺栓连接，为避免螺栓拧紧处BFRP受到破坏需进行局部加强，在膜壳制作过程中，在需要连接处事先预埋与外贴金属板同尺寸的不锈钢薄片（在膜壳中埋置该不锈钢夹层），并且外贴的金属板及不锈钢片事先开孔。

膜壳的成型是在半圆形钢模上制作，预先制作半圆模具，把裁剪好的纤维布（预先浸渍透浸渍胶）、网格、钢板（预制）等材料按工序依次铺搭于模具上（frp网格+纤维布+预制钢板层+纤维布），端部固定，待其自然固化定型后取下。FRP膜壳的最终产品是由半圆形拼接成一个圆形筒，半圆膜壳单元在制作过程中可以直接在马鞍形模具上直接复合成半圆，也可以在圆柱形模具上先制作成整圆再切割成半圆。

FRP膜壳制作完成后，进行拼接，这个前期制作成型的膜壳最终的样子一定是半圆形，在工程现场是将半圆型拼接成整圆，然后再进行竖向接长。在FRP膜壳单元的竖向及环向应开孔，环向孔与孔之间的间距不宜过大；竖向开孔位置及孔与孔之间的距离应满足受力要求。

金属抱箍及竖向拼接板在对应与膜壳的位置开孔，开孔大小及同膜壳。

实施例4

以水面以上拼装为例，在需要加固的圆形桥墩、桩基外侧利用钢管、扣件等搭设回字形脚手架平台，平台内侧距桥墩最近点约50cm。在平台上进行拼装操作：

1、拼装第一环：膜壳制作成型是半圆形，通过不锈钢钢板将两个半圆用螺栓连接。将两个半圆围绕桩柱一周，在钢管脚手架上拼接第一环膜壳，竖向不锈钢钢板固定两个半环。半环接缝处的内外钢板上涂上0.5cm厚度的结构树脂，对准事先打好的孔，对穿螺栓，拧紧，此时钢板四周会挤出胶体，保证了钢板与膜壳间填充密实。

2、膜壳下沉：同样的方法将第二环拼装完成，待结构树脂固化后，下沉至水中，第二环的顶部超出水面一定距离，方便第三环的拼装。以此方法，每拼好两环下沉至最上层膜壳的上边缘超出水面，便于拼接下一环。下沉过程是通过在系梁或其他辅助设施上分挂四个葫芦，用于悬吊起膜壳，撤掉膜壳下支撑架，四个吊点均匀下放，保持平衡。

3、FRP网格片固定：把FRP网格片用扎丝固定在螺杆上，网片与膜壳之间的距离控制在3cm，通过混凝土垫块确定。

4、可以采用水下灌注法对膜壳与水下桥墩的间隙灌注不分散混凝土。

本发明为水下结构加固提供了一种全新的结构形式、思路及方法，可在水面以上、水面以下实施拼装操作，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是示例性的优选实施方式，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，其特征在于：由若干预制FRP管片，经管片边缘的联接结构拼接组成的筒状结构，所述FRP管片具有纤维布外层和网格中间层，以及填充于纤维布及网格内的树脂，所述纤维布选用玻璃纤维布、碳纤维布或玄武岩纤维布。

2.根据权利要求1所述的用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，其特征在于：所述联接结构采用搭扣，所述搭扣间隔地固定在外加强板上，所述外加强板固定安装在FRP管片的边缘。

3.根据权利要求2所述的用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，其特征在于：还包括内加强板，所述外加强板和内加强板夹设在FRP管片边缘，在内加强板上固定连接限位插板，所述外加强板、内加强板和限位插板经螺栓穿装固定在FRP管片边缘。

4.根据权利要求1所述的用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，所述联接结构包括贯穿FRP管片及金属夹层的螺栓孔，以及纵向连接板和环向连接板，所述纵向连接板上具有两组纵向连接孔，每组纵向连接孔分别对应一对半圆形FRP管片上纵向布置的螺栓孔，一对半圆形FRP管片经由纵向连接板和螺栓首尾相接组成环形加固壳体；

所述环向连接板上具有两组环向连接孔，每组环向连接孔分别相邻环形加固壳体FRP管片上的环向布置的螺栓孔，若干环形加固壳体的底部和顶部经由环向连接和螺栓板依次连接并延伸；所述纵向连接板是成对使用的金属夹板，所述环向连接板是成对使用的金属圆箍。

5.根据权利要求1所述的用于桥墩、桩基加固的FRP膜壳，其特征在于：所述膜壳环绕水下桥墩或桩基布置，还包括限位装置和混凝土；

所述限位装置包括抱箍和限位筋，所述抱箍沿桥墩高程间隔安装，所述限位筋在抱箍外侧沿桥墩、桩基的辐向分布；

所述FRP膜壳由若干半圆形的预制FRP管片拼接而成，在FRP管片的边缘布置联接结构；

一对预制FRP管片通过纵向布置的联接结构首尾相接组成环形加固壳体，若干环形加固壳体的底部和顶部通过环向布置的联接结构连接延伸；

所述混凝土填充在桥墩或桩基、限位装置与FRP膜壳之间。

6.一种水下结构加固施工方法，其特征在于：

在水面以上拼装FRP膜壳，是在需要加固的圆形桥墩、桩基外侧搭设回字形脚手架平台，在平台上进行FRP膜壳的拼装操作；

拼装第一环，膜壳制作成型是半圆形，将两个半环FRP膜壳围绕桩柱一周，通过两端搭扣拼接形成第一环膜壳；

膜壳下沉，同样的方法将第二环拼装完成，环向连接板上的搭扣将第二环与第一环首尾相接，将第一环下沉至水中，第二环的顶部超出水面一定距离；

以此方法，每拼好两环下沉至最上层膜壳的上边缘超出水面，便于拼接下一环；

最后在膜壳与水下桥墩、桩基的间隙灌注不分散混凝土。

7.根据权利要求6所述的水下结构加固施工方法，其特征在于：在桥墩、桩基上间安装限位装置，所述限位装置包括抱箍和限位筋，所述抱箍沿桥墩、桩基高程间隔安装，所述限位筋在抱箍外侧沿桥墩的辐向分布。

8.根据权利要求6所述的水下结构加固施工方法，其特征在于：膜壳下沉采用悬吊法，是在系梁或其他辅助设施上挂设若干悬吊装置，吊起膜壳，撤掉膜壳下支撑架，环绕桥墩、桩基均匀下放。

9.根据权利要求6所述的水下结构加固施工方法，其特征在于：在管片的纵向及环向接缝处使用结构树脂填充。

10.根据权利要求7所述的水下结构加固施工方法，其特征在于：相邻环形加固壳体的纵向接缝相互错开。

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