CN116657513A - 一种双曲拱桥裂缝加固结构及加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲拱桥裂缝加固结构及加固方法，采用ECO改性聚氨酯混凝土‑碳纤维网格加固结构，包括原主拱圈和ECO改性聚氨酯混凝土加固层，加固层由上至下依次设置ECO改性聚氨酯混凝土基层、碳纤维网格、ECO改性聚氨酯混凝土面层。通过在出现裂缝的主拱圈下缘增设ECO改性聚氨酯混凝土加固层的方法实现裂缝修补和加固，充分利用了碳纤维网格和ECO改性聚氨酯混凝土的抗拉伸强度，ECO改性聚氨酯混凝土砂浆的优异粘结性能使二者与原主拱圈能够更好的形成整体，桥梁整体刚度提高，改善桥梁长期使用性能和耐久性能，避免加固层与原主拱圈的交界处混凝土开裂、破损、渗水等病害，降低了拱桥加固的全寿命费用。

Description

一种双曲拱桥裂缝加固结构及加固方法

技术领域

本发明涉及双曲拱桥加固技术领域，尤其涉及一种双曲拱桥裂缝加固结构及加固方法。

背景技术

拱桥长期以来是我国的主导桥型，近年来，随着我国经济的快速发展，交通运输量、行车密度和车辆的载重的急剧增加加剧了桥梁病害的发生，这些拱桥普遍出现了不同程度的病害和承载力不足现象，大部分的损伤都集中表现在裂缝方面，因此对裂缝修补和加固方面的研究工作具有重要意义。

双曲拱桥主要处理两类纵向裂缝，一类是产生于拱肋和拱波结合面的环向裂缝，其走向与拱轴线一致，一般发生于拱的最上方且承担正弯矩范围内，由于正弯矩的存在，使得主拱圈经受着一定的拉应力。一旦拉应力超出了连接面的承载范围，即会产生裂缝；第二类裂缝为波顶纵缝，主要发生在拱波上方且其发展方向与拱轴线一致。主要原因在于波顶部截面自身比较脆弱，加之横向联系有时较弱导致截面刚度不够，因此产生裂缝。

目前主要通过两种方法来增加拱桥结构承载力:一是提升拱圈强度，二是增加主拱圈的截面积。前者借助粘结剂通过粘贴碳纤维布或钢板到混凝土拱桥拱肋的受拉区边缘或薄弱部位，并和其他构件形成一个整体，共同抵挡主拱圈下边的拉应力，减缓裂缝的产生和扩展。粘贴碳纤维布的方法虽然在没有增大桥梁结构的体积和自身载荷的情况下提升了构件强度，但基本上对横向联系及刚度作用不大，不能有效提高结构承载力，而且实际操作中碳纤维和混凝土结构之间容易发生粘结破坏，甚至降低加固初始结构的刚度；粘贴钢板的方法虽然既能提高强度也能提高刚度，但用钢量大导致成本较高，且本身耐腐蚀性和耐火性较差。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的一个目的在于，提供一种应用于双曲拱桥的ECO改性聚氨酯混凝土-碳纤维网格加固结构，通过在出现裂缝的主拱圈下缘增设ECO改性聚氨酯混凝土加固层实现裂缝修补和加固，实质就是通过增大拱肋受力截面和补强钢筋的方法来提高拱肋抗弯承载能力和抗裂性能，解决拱桥承受正弯矩易开裂的问题，可实现全拱圈及拱板的裂缝修补和加固。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：

一种双曲拱桥裂缝加固结构，包括原主拱圈和ECO改性聚氨酯混凝土加固层，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层由上至下依次设置ECO改性聚氨酯混凝土基层、碳纤维网格ECO改性聚氨酯混凝土面层；

所述碳纤维网格的部分或全部置于所述ECO改性聚氨酯混凝土基层内。

进一步地，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层使用ECO改性聚氨酯砂浆，使用ECO改性聚氨酯砂浆，所述ECO改性聚氨酯砂浆是将ECO改性聚氨酯结合料加入到符合级配要求的集料中，按12-18％胶石比在常温下均匀搅拌而成的混合料；

其中粗集料选用连续级配的天然砾石和机制砂，粒径范围为4.75～9.5mm，其质量通过率为12～40％，细集料采用连续集配的天然河沙，粒径范围为0～4.75mm，其质量通过率为60～88％。

所述ECO改性聚氨酯砂浆具有以下特点：

(1)采用密级配，空隙率极低，自身完全不透水，抗水等级可达P12级。同时抗氯离子透过率小于100C，拥有优异的防水防腐性能，可进一步保护碳纤维网格，可以用它维修各种老化受损严重的混凝土旧结构，并能形成封闭的表面，有效抑制有害物质的渗透；

(2)各项力学性能指标优异，与混凝土基层的粘结强度大于3Mpa，抗折强度达到近20Mpa；

(3)热膨胀系数与混凝土材料类似,具有优良的抗高温性、低温抗裂性能及抗疲劳开裂性。

所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层采用的ECO改性聚氨酯混凝土，弹性模量与混凝土材料相近，更有利于与下层形成整体，协同受力，提高桥面刚度。

进一步地，所述碳纤维网格是将碳纤维浸渍于耐腐蚀性的树脂中，制作成具有纵向和横向纤维筋，且纵、横向交结的结点处为固定结点的网格状材料。

更进一步地，所述碳纤维网格至少设置有一层，可以为多层分布结构。

所述碳纤维网格是具备质量轻、高强度等优质特性的复合材料，具有以下特点：

(1)重量轻，强度高，与传统的钢筋网加固相比，厚度增加小，施工周期短；

(2)耐腐蚀，使用寿命长。碳纤维筋具有耐腐蚀，抗老化性和耐水性，适合在潮湿和易腐蚀的环境中作业，和金属等易氧化材料相比，有显著的优点；

(3)与水泥砂浆的附着能力强。传统碳纤维筋经浸渍和高温固化后表面会灌注石榴石材料，石榴石与砂浆间的附着能力极强。

进一步地，本发明上述方案还包括抗剪锚固筋，所述抗剪锚固筋的一端植入至所述原主拱圈内，其另一端延伸至所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层内部。

更进一步地，所述抗剪锚固筋设置有多个。

本发明的另一目的在于，提供一种双曲拱桥裂缝加固方法，具体包括以下步骤：

(1)对原主拱圈结构体裂缝表面进行清洁，清洁完成后，用封缝胶封闭裂缝，在提前布设的灌胶嘴处进行灌胶工作，待胶液固化后，将灌胶嘴拆除，并用专用封缝胶抹平；

(2)裂缝修复完成后对拟布置ECO改性聚氨酯混凝土加固层的区域进行人工凿毛处理，按要求植入抗剪锚固筋，增强ECO改性聚氨酯混凝土加固层与原主拱圈既有混凝土层的衔接；

(3)清理界面表面杂物及灰尘后涂抹界面，界面剂采用ECO改性聚氨酯防水粘结剂，再用ECO改性聚氨酯混凝土砂浆补平，保持加固面平整；

(4)待界面剂干燥之前，将拌好的ECO改性聚氨酯混凝土砂浆涂抹至混凝土表面作为ECO改性聚氨酯混凝土基层，厚度在4-6mm；

(5)敷设碳纤维网格，敷设过程应用力将其压入ECO改性聚氨酯混凝土基层并用植入的抗剪锚固筋钩住，碳纤维网格搭接应沿受力方向不小于20cm；

(6)待碳纤维网格敷设完成后，再利用喷涂装置喷涂ECO改性聚氨酯混凝土砂浆，形成厚度在8-12mm的ECO改性聚氨酯混凝土面层，并压光找平，最后洒水养护至龄期。

进一步地，步骤(1)灌胶由低端向高端进行；当从一端开始压胶，同时另一端的灌胶嘴排出裂缝内的气体，喷出的胶液与压入时的胶液浓度相同时，停止压胶，然后将出胶嘴封堵；贯通缝须在内外表面上进行封缝处理。

进一步地，步骤(3)涂抹界面剂，待结构物表面干燥后，喷涂1-2遍界面剂，以无流动作为一次涂抹量，保持表面均匀；界面剂应渗透1mm-2mm，表面残留部分用抹布擦拭。

进一步地，ECO改性聚氨酯混凝土加固层厚度为13-18mm。

本发明的技术原理为：

本发明加固原理是：通过增加截面高度和面积，增强拱顶抗力，特别在拱脚处通过增加部分自重，起到“压拱”作用，进一步减少拱顶正弯矩，实现调节拱轴压力线的目的，提高拱顶的截面抗力。另外对主拱圈进行体外配筋，使用碳纤维筋代替普通钢筋作为受力配筋，通过安装碳纤维筋于被加固构件表面受拉侧，然后进行喷浆形成ECO改性聚氨酯混凝土加固层，即新增了结构抗力层。在汽车荷载作用下，该抗力层与原构件共同抵抗作用效应，进而减小原构件所承担的抗力水平，通过这种新增补强层后，不仅可提高结构构件的刚度和承载力，且具备抗腐蚀、耐高温、与结构共同受力的特点。为确保确保新旧构件的共同受力，喷浆层与原构件表面的粘结性能要求较高，这种方法通过利用ECO改性聚氨酯混凝土砂浆将其与原结构连接，充分利用了碳纤维筋的抗拉伸强度，ECO改性聚氨酯混凝土的快凝强度及其它与原混凝土结构的高粘结性能，提高原构件的配筋量，进而增强桥梁的整体性，达到提高结构件的刚度和承载力目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、本发明提供的双曲拱桥裂缝加固结构采用ECO改性聚氨酯混凝土加固，ECO改性聚氨酯混凝土砂浆与普通混凝土材料相比，抗拉强度高、抗拉弹性模量较低、耐磨、耐腐蚀、抗渗、抗冻性能优异，且与旧混凝土的粘结性能良好，使得加固层和原主拱圈形成整体共同受力，改善了加固设计计算理论与实际受力状态存在偏差的应用现状。

二、本发明提供的双曲拱桥裂缝加固结构中采用碳纤维网格，碳纤维网格属于柔性复合物材料，具备一定的变形能力，可以轻松应对各种复杂的结构表面，使应力传递更加均匀，有效避免局部应力过于集中；碳纤维网格的耐久性能好、耐腐蚀性强，适用于各种恶劣环境下的加固施工。

三、本发明提供的双曲拱桥裂缝加固结构，加固材料用量小，能够有效减小加固过程之中加固材料施加在原主拱圈上的荷载，同时由于ECO改性聚氨酯混凝土材料的特性，ECO改性聚氨酯混凝土加固层将分担更多的活载作用效应。

四、本发明提供的ECO改性聚氨酯混凝土-碳纤维网格加固技术，充分利用了碳纤维网格的抗拉伸强度，ECO改性聚氨酯混凝土砂浆通过ECO改性聚氨酯混凝土的优异粘结性能，将其与原主拱圈更好的形成整体，桥梁整体刚度提高，改善桥梁长期使用性能和耐久性能，避免加固层与原主拱圈的交界处混凝土开裂、破损、渗水等病害，降低了拱桥加固的全寿命费用。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的双曲拱桥裂缝加固结构示意图；

图2为图一所示双曲拱桥裂缝加固结构的A-A断面图；

其中，附图标记为：1、原主拱圈；2、ECO改性聚氨酯混凝土加固层；3、ECO改性聚氨酯混凝土基层；4、碳纤维网格；5、ECO改性聚氨酯混凝土面层；6、抗剪锚固筋。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例一以双主梁钢混叠合梁为例，而不是全部的实施例。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。

如图1、图2所示，双曲拱桥裂缝加固结构，包括原主拱圈1和ECO改性聚氨酯混凝土加固层2，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层2由上至下依次设置ECO改性聚氨酯混凝土基层3、碳纤维网格4、ECO改性聚氨酯混凝土面层5；

所述碳纤维网格4的部分或全部置于所述ECO改性聚氨酯混凝土基层3内。

具体地，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层2使用ECO改性聚氨酯砂浆，所述ECO改性聚氨酯砂浆由100％聚合物组成，以ECO改性聚氨酯作为粘结剂，加入到普通硅酸盐水泥和砂中，按一定水灰比配置成的聚氨酯水泥砂浆。

具体地，ECO改性聚氨酯砂浆是将ECO改性聚氨酯结合料加入到符合级配要求的集料中，按12-18％的胶石比在常温下均匀搅拌而成的混合料，优选地，胶石比使用15％；其中粗集料选用连续级配的天然砾石和机制砂，粒径范围为4.75-9.5mm，质量通过率为12-40％，细集料采用连续集配的天然河沙，粒径范围为0-4.75mm，质量通过率为60-88％。

具体地，所述碳纤维网格4是将碳纤维浸渍于耐腐蚀性的树脂中，制作成具有纵向和横向纤维筋，且纵、横向交结的结点处为固定结点的网格状材料。优选地，所述碳纤维网格4至少设置有一层，更优选地，碳纤维网格4为多层分布结构，每层碳纤维网格4之间对齐叠加分布，方便搭接，便于抗剪锚固筋插入缠绕进行固定，提高整体受力。

在本实施例中，所述加固结构中还包括抗剪锚固筋6，所述抗剪锚固筋6的一端植入至所述原主拱圈1内，其另一端延伸至所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层2内部。所述抗剪锚固筋6设置有多个。

如图2所示，ECO改性聚氨酯混凝土加固结构的实施方法包括如下步骤：

(1)对原主拱圈1结构体裂缝表面进行清洁，清洁完成后，用封缝胶封闭裂缝，在提前布设的灌胶嘴处进行灌胶工作，待胶液固化后，将灌胶嘴拆除，并用专用封缝胶抹平；

灌胶由低端向高端进行；当从一端开始压胶，同时另一端的灌胶嘴排出裂缝内的气体，喷出的胶液与压入时的胶液浓度相同时，停止压胶，然后将出胶嘴封堵；贯通缝须在内外表面上进行封缝处理。

(2)裂缝修复完成后对拟布置ECO改性聚氨酯混凝土加固层2的区域进行人工凿毛处理，按图纸要求植入抗剪锚固筋6，增强ECO改性聚氨酯混凝土加固层2与原主拱圈1既有混凝土层的衔接；

(3)清理界面表面杂物及灰尘后充分湿润并涂抹界面剂，界面剂采用ECO改性聚氨酯防水粘结剂，作用在于增强原结构表面的密实性，提高与砂浆的粘结力；再用ECO改性聚氨酯混凝土砂浆补平，保持加固面平整；

(4)待界面剂干燥之前，将拌好的ECO改性聚氨酯混凝土砂浆涂抹至混凝土表面作为ECO改性聚氨酯混凝土基层3，厚度在4-6mm，优选厚度在5mm；

涂抹ECO改性聚氨酯混凝土砂浆，环境温度要求低，0℃以上即可施工，延长北方冬季施工周期；无需养生2小时强度达到25MPa。

(5)敷设碳纤维网格4，敷设过程应用力将其压入ECO改性聚氨酯混凝土基层3并用植入的抗剪锚固筋6钩住，碳纤维网格搭接应沿受力方向不小于20cm；

(6)待碳纤维网格4敷设完成后，再利用喷涂装置喷涂ECO改性聚氨酯混凝土砂浆，形成厚度在8-12mm的ECO改性聚氨酯混凝土面层(5)，优选厚度在10mm，并压光找平，最后洒水养护至龄期。

本实施例提供的ECO改性聚氨酯混凝土加固结构选用材料具体指标见表1、表2。本实施例提供的ECO改性聚氨酯混凝土具有优良的力学性能，耐久性好，提高了整体抗弯拉强度，且与原混凝土结构之间具有优异的粘结性能；本实施例提供的碳纤维网格，对钢筋混凝土拱圈的抗剪加固性能良好，在提高承载力、增加延性及裂缝控制等方面都比传统抗剪加固体系更具优势。

经过对ECO改性聚氨酯混凝土-碳纤维网格加固层与混凝土界面的粘结性能展开拉拔试验研究，得出结论：碳纤维网格是一种纵横向交错的双向碳纤维编织网，整体性强，满足拉应力均匀传递的要求，并且由于碳纤维网格体积小，在加固层中可根据实际情况进行多层布置，从而实现网格结点的应变分担率总和达到90％以上，网格结点达到3个以上，碳纤维网格凭借与ECO改性聚氨酯混凝土及原结构混凝土之间更为优异的粘结性能，使得ECO改性聚氨酯混凝土与原结构混凝土之间不易产生剥离破坏。

表1ECO改性聚氨酯混凝土性能与普通混凝土力学性能指标

设计碳纤维理论截面积/mm2/m 46

目前规范针对采用碳纤维网格复合层加固无明确的加固理论公式和推荐模型，故参照《混凝土结构加固设计规范》中粘贴纤维复合材加固法中受弯构件的计算方法进行加固效果计算，通过桥梁有限元计算软件对处于不同工况下桥梁的承载力进行分析对比，加固后工况考虑纤维材料和增大15mm截面高度的加固效果，计算荷载为公路-Ⅰ级，最终可得到安全系数可提高1.2至1.5倍，从而得出结论ECO改性聚氨酯混凝土-碳纤维网格加固体系能够显著提高原桥梁结构的承载力。

本发明ECO改性聚氨酯混凝土加固技术充分利用了碳纤维网格和ECO改性聚氨酯混凝土的抗拉伸强度，ECO改性聚氨酯混凝土砂浆的优异粘结性能使二者与原主拱圈能够更好的形成整体，桥梁整体刚度提高，改善桥梁长期使用性能和耐久性能，避免加固层与原主拱圈的交界处混凝土开裂、破损、渗水等病害，降低了拱桥加固的全寿命费用。

Claims (10)

1.一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，包括原主拱圈(1)和ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)由上至下依次设置ECO改性聚氨酯混凝土基层(3)、碳纤维网格(4)、ECO改性聚氨酯混凝土面层(5)；

所述碳纤维网格(4)的部分或全部置于所述ECO改性聚氨酯混凝土基层(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)使用ECO改性聚氨酯砂浆，所述ECO改性聚氨酯砂浆是将ECO改性聚氨酯结合料加入到符合级配要求的集料中，按12-18％的胶石比在常温下均匀搅拌而成的混合料。

3.根据权利要求1所述的一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，所述碳纤维网格(4)是将编织后的碳纤维浸渍于耐腐蚀性的ECO改性聚氨酯中，制作成具有纵向和横向纤维筋，且纵、横向交结的结点处为固定结点的网格状材料。

4.根据权利要求3所述的一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，所述碳纤维网格(4)至少设置有一层。

5.根据权利要求1所述的一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，还包括抗剪锚固筋(6)，所述抗剪锚固筋(6)的一端植入至所述原主拱圈(1)内，其另一端延伸至所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)内部。

6.根据权利要求5所述的一种双曲拱桥裂缝加固结构，其特征在于，所述抗剪锚固筋(6)设置有多个。

7.一种双曲拱桥裂缝加固方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)对原主拱圈(1)结构体裂缝表面进行清洁，清洁完成后，用封缝胶封闭裂缝，在提前布设的灌胶嘴处进行灌胶工作，待胶液固化后，将灌胶嘴拆除，并用专用封缝胶抹平；

(2)裂缝修复完成后对拟布置ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)的区域进行人工凿毛处理，按要求植入抗剪锚固筋(6)，增强ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)与原主拱圈(1)既有混凝土层的衔接；

(3)清理界面表面杂物及灰尘后涂抹界面剂，界面剂采用ECO改性聚氨酯防水粘结剂，再用ECO改性聚氨酯混凝土砂浆补平，保持加固面平整；

(4)待界面剂干燥之前，将拌好的ECO改性聚氨酯混凝土砂浆涂抹至混凝土表面作为ECO改性聚氨酯混凝土基层(3)，厚度在4-6mm；

(5)敷设碳纤维网格(4)，敷设过程应用力将其压入ECO改性聚氨酯混凝土基层(3)并用植入的抗剪锚固筋(6)钩住，碳纤维网格搭接应沿受力方向不小于20cm；

(6)待碳纤维网格(4)敷设完成后，再利用喷涂装置喷涂ECO改性聚氨酯混凝土砂浆，形成厚度在8-12mm的ECO改性聚氨酯混凝土面层(5)，并压光找平，最后洒水养护至龄期。

8.根据权利要求7所述的一种双曲拱桥裂缝加固方法，其特征在于，步骤(1)灌胶由低端向高端进行；当从一端开始压胶，同时另一端的灌胶嘴排出裂缝内的气体，喷出的胶液与压入时的胶液浓度相同时，停止压胶，然后将出胶嘴封堵；贯通缝须在内外表面上进行封缝处理。

9.根据权利要求7所述的一种双曲拱桥裂缝加固方法，其特征在于，步骤(3)涂抹界面剂，待结构物表面干燥后，喷涂1-2遍强化剂，以无流动作为一次涂抹量，保持表面均匀；强化剂应渗透1mm-2mm，表面残留部分用抹布擦拭。

10.根据权利要求7所述的一种双曲拱桥裂缝加固方法，其特征在于，所述ECO改性聚氨酯混凝土加固层(2)厚度为13-18mm。