具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统及其施工方法

摘要

本发明公开了一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统，所述竖向预应力钢筋防弹出系统由上至下依次包括桥面功能恢复系统、胶结缓冲系统、冲击力分散系统、抗震锚固系统。本发明还公开了一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统的施工方法。本发明的纵横钢筋及植入钢筋的加工、焊钉与抗冲击钢板焊接、钢板的开孔及热镀锌等关键工序均在工厂完成，极大提高了整体施工质量，确保了系统可靠性；本发明可在部分通车情况下施工，现场作业简单，工效高，能全部覆盖所有竖向预应力钢筋，不留隐患，系统寿命理论上与桥梁寿命相同，极大地提高该类桥梁的安全性，推动了桥梁加固技术的发展，可靠、安全、环保且造价低，具有良好的社会及经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及竖向预应力钢筋防弹出系统及施工方法，具体是指一种针对大跨径预应力混凝土梁桥竖向预应力钢筋的防弹出系统及施工方法，该系统具有抗震功能。

背景技术

如图1所示，大跨径预应力混凝土梁桥通常设置竖向预应力钢筋8以提高箱梁的腹板的承载力及抗裂性，早期设计的竖向预应力钢筋一般采用较大直径高强度精轧螺纹钢筋，包括竖向预应力钢筋8上设置有上锚具3、上锚垫板6、下锚垫板11、下螺母1，所示竖向预应力钢筋8设在在贯穿箱梁悬臂板混凝土7、箱梁腹板混凝土10、箱梁底板混凝土13内的孔道内，所述孔道与竖向预应力钢筋8之间的空隙内设置有道压浆料9。 上述设置常存在以下问题：

1、高强度精轧螺纹钢筋在生产过程中容易产生异常的马氏体组织、表面缺陷或裂纹、夹渣及成分偏析等问题，在张拉应力作用，容易导致钢筋滞后断裂。

2、高强度精轧螺纹钢筋是刚性杆，对施工安装锚固螺母、高强度精轧螺纹钢筋、锚垫板三者安装精度要求相当高，否则易造成高强度精轧螺纹钢筋偏心受拉，局部应力过大。

3、竖向预应力钢筋一般采用二次张拉，但高强度精轧螺纹钢筋长度短，伸长量较少，若操作不当，容易引起超张拉，造成应力过大。

4、竖向预应力筋普遍容易存在压浆质量问题，主要有漏压浆、压浆不饱满或压浆料强度不足等。

由于以上各种因素，部分大跨径预应力混凝土梁桥运营十多年间，常有竖向预应力钢筋断裂或脱锚而弹出，露出桥面0.2m~8m不等，竖向预应力钢筋弹出瞬间具有强大的冲击力，原封锚混凝土2、原桥面沥青混凝土1被冲破产生沥青混凝土块4、混凝土块5，随竖向预应力钢筋一同弹出，危害性极大；

存在严重行车安全隐患，容易造成重大交通安全事故及较大人员伤亡，也降低了桥梁腹板局部抗剪承载力及抗裂性，是需要迫切解决的关键技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统，该弹出系统由抗震锚固系统、冲击力分散系统、胶结缓冲系统及桥面功能恢复系统共同组成。通过仅在竖向预应力钢筋附近较小范围内，将沥青混凝土更换为具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统，达到防止竖向预应力钢筋弹出的目的，避免了由预应力钢筋弹出造成的重大交通事故，也保证了腹板的抗剪承载力及抗裂性；由于局部施工，可以维持通车施工，施工作业时间短，可恢复原来沥青混凝土桥面行驶舒适性功能，该系统有较强抗地震等动力荷载作用能力，具有良好的社会及经济效益。

本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：

一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统，所述竖向预应力钢筋防弹出系统由上至下依次包括桥面功能恢复系统、胶结缓冲系统、冲击力分散系统、抗震锚固系统，

所述的桥面功能恢复系统由上至下依次包括薄层沥青混凝土和防水层，所述防水层主要功能防止水汽渗入胶结缓冲系统，保护抗震锚固系统及冲击力分散系统的钢材不受腐蚀，所述的薄层沥青混凝土将恢复与原来桥面铺装一致性功能，采用薄层结构，具有抗滑性能好、抗磨耗、开放交通早、降低路面行驶噪音等优良性能。

所述的抗震锚固系统包括顶端带弯钩的植入锚筋、胶粘扩底锚栓、直接抗冲击钢板、粘钢胶、剪力钉，所述胶粘扩底锚栓固定在箱梁混凝土内，所述直接抗冲击钢板通过胶粘扩底锚栓和粘钢胶固定在箱梁混凝土上表面且覆盖住竖向预应力钢筋上端，所述剪力钉竖直焊接固定在所述直接抗冲击钢板上表面；

所述冲击力分散系统包括若干均匀设置的纵向钢筋及横向钢筋，所述植入锚筋的弯钩处与所述纵向钢筋及横向钢筋的相交处固定连接；

所述胶结缓冲系统包括浇筑设置在所述冲击力分散系统上的钢纤混凝土，用于将抗震锚固系统及所述冲击力分散系统胶结为一体，该胶结缓冲系统具有较强的抗弯拉、抗冲击及抗疲劳性能，能有效地分散冲击力，抑制混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成。

进一步地，所述的植入锚筋呈平面纵横的梅花形布置，间距为30x30cm，其一端采用植筋胶锚固在混凝土中，锚固深度大于10倍钢筋直径，另外一端设有180°弯头，勾住所述冲击力分散系统的横向钢筋外侧。

进一步地，所述胶粘扩底锚栓底部的扩锚部分长度至少为1/5锚栓长度，扩展角度至少为20度，锚杆及螺帽热镀锌层厚度至少为100 um，各胶粘扩底锚栓平面纵横地间距40x40cm布置，围绕竖向预应力钢筋周边均匀布置，其一端采用植筋胶锚固在混凝土中，锚固深度大于倍锚栓直径，另一端用螺帽锚固在直接抗冲击钢板边缘。施工时先钻取直孔，然后再使用扩孔工具在锚孔的底部预先形成扩孔，注入1/3孔深量的植筋胶，插入胶粘扩底锚栓，通过敲击锚栓套管的方式，使锚栓的扩张机构在底部扩孔中进行扩张， 填满底部已扩张的空间，形成抗地震机械自锁锚固功能。

进一步地，所述直接抗冲击钢板的厚度大于12mm，通过压力灌注粘钢胶粘贴在混凝土顶面，其非粘贴面进行热镀锌，镀锌层厚度至少为100um。

进一步地，所述粘钢胶的厚度为2-4mm，采用I类A级胶，使所述直接抗冲击钢板对混凝土正拉粘结强度至少为2.5 MPa且为混凝土内聚破坏。

进一步地，所述剪力钉按20x20cm的间距平面纵横地围绕所述竖向预应力钢筋周边焊接布置在所述直接抗冲击钢板顶面，各剪力钉深入并伸出所述冲击力分散系统的最外层钢筋至少1cm，保证直接抗冲击钢板参与胶结缓冲系统及冲击力分散系统形成整体，共同抵抗瞬时冲击力。

进一步地，所述的横向钢筋位于纵向钢筋上面，其平面间距为10-12cm，直径至少为16mm，净保护层厚度至少为3cm，所述纵向钢筋的直径至少为12mm，平面间距为10-12cm。

进一步地，所述胶结缓冲系统厚度至少为8 cm，所述的薄层沥青混凝土的厚度为2~4 cm。

本发明的目的之二是提供一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统的施工方法，该施工方法主要工艺为铣刨竖向预应力钢筋附近顶面沥青混凝土铺装，植入锚栓锚筋安装抗震锚固系统，安装冲击力分散系统，浇筑胶结缓冲系统，摊铺桥面功能恢复系统。

本发明的这一目的是通过如下技术方案来实现的：

一种如所述的具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统的施工方法，包括步骤：

步骤1：进行局部交通围蔽，沿横桥向在竖向预应力钢筋两侧至少1m范围铣刨竖向预应力钢筋顶面的原桥面沥青混凝土，其中，对粘贴直接抗冲击钢板的位置进行清理、凿平顺，露出坚硬的混凝土平面，其它非直接抗冲击钢板位置凿毛得到凹凸粗糙面，完成基底处理；

步骤2： 将直接抗冲击钢板开灌浆孔和锚栓孔，焊接剪力钉，非粘贴面热镀锌；先钻取直孔，然后再使用扩孔工具在锚孔的底部预先形成扩孔，注入至少1/3孔深量的植筋胶，安装所述胶粘扩底锚栓和直接抗冲击钢板，拧紧锚栓，封边，压力注胶；将植入锚筋一端加工成180°弯钩，钻孔，注入1/3孔深量的植筋胶后，使弯钩与横桥向成45°方向插入孔内， 完成抗震锚固系统安装；

步骤3：按间距10-12cm安装纵向钢筋，在植入锚筋位置穿过弯勾，按间距10-12cm将横向钢筋安装在所述纵向钢筋上面，在植入锚筋位置穿过弯勾；

步骤4：配制钢纤混凝土，用水充分浇透基面后，浇筑钢纤混凝土，充分振捣密实，进行养生；

步骤5：清洁混凝土表面后，涂刷防水涂料至少三遍形成防水层，待涂料干燥后，摊铺薄层沥青混凝土，碾压成形；待薄层沥青混凝土降至大气温度后，清理围蔽，开放交通。

进一步地，所述的钢纤混凝土采用C50钢纤维纯纤维混凝土，其中钢纤维含量为60kg/m3，纯纤维含量为1kg/m3；所述的防水层采用水泥基渗透结晶型防水涂料，总用量为1800g/m2；所述凹凸粗糙面的沟槽深度为4-6mm。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1、相比于传统掀开混凝土封锚，检测压浆饱满度，重新进行管道补压浆方案，本发明现场作业简单，工效高，能全部覆盖所有竖向预应力钢筋，不留隐患，可靠性好，安全性好，造价低。

2、本发明的纵横钢筋及植入钢筋的加工、焊钉与抗冲击钢板焊接、钢板的开孔及热镀锌等关键工序，均在工厂完成，可操作性及可控性好，避免了现场风、雨、雾等恶劣的施工环境影响，极大提高了整体施工质量，确保了系统可靠性。

3. 本发明的胶粘扩底锚栓，具有机械自锁锚固功能，锚栓锚筋采用植筋胶锚固，均具有较强抵抗地震动力荷载性能，使得该预应力防弹出系统具有较强的抗震功能，在极端复杂工况下能维持预应力防弹出系统的稳定性；系统寿命理论上与桥梁寿命相同，极大地提高该类桥梁的安全性，推动了桥梁加固技术的发展。

4.本发明是为局部桥面施工，不需全封闭交通，可在部分通车情况下施工，对桥下通航通车无任何影响，在交通繁忙桥上及通航频繁航道上的优势明显，无需采用大吨位设备及支架等，最大程度地降低了施工临时措施费用，可靠、环保，具有良好的社会及经济效益。

附图说明

图1现有竖向预应力钢筋弹出示意图。

图 2为本发明实施例的具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统总体布置立面图。

图 3为本发明实施例的具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统总体布置平面图。

图4为本发明实施例的桥面功能恢复系统。

图 5为本发明实施例的胶结缓冲系统。

图 6为本发明实施例的冲击力分散系统。

图 7为本发明实施例的抗震锚固系统。

图 8为本发明实施例施工方法中铣刨竖向预应力钢筋顶面沥青混凝土过程示意图。

图 9为本发明实施例施工方法中植入锚栓锚筋安装抗震锚固系统过程示意图。

图 10为本发明实施例施工方法中安装冲击力分散系统过程示意图。

图 11为本发明实施例施工方法中浇筑胶结缓冲系统过程示意图。

图 12为本发明实施例施工方法中摊铺桥面功能恢复系统过程示意图。

图中：1-原桥面沥青混凝土；2-原封锚混凝土；3-上锚具；4-沥青混凝土块；5-混凝土块；6-上锚垫板；7-箱梁悬臂板混凝土；8-竖向预应力钢筋；9-孔道压浆料；10-箱梁腹板混凝土；11-下锚垫板；12-下螺母；13-箱梁底板混凝土；14-钢纤混凝土；15-薄层沥青混凝土；16-剪力钉；17-粘钢胶；18-直接抗冲击钢板；19-胶粘扩底锚栓；20-植入锚筋；21-横向钢筋；22-纵向钢筋；23-防水层；24-植筋胶；25-凹凸粗糙面；26-混凝土平面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图2和图3所示，一种具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统，所述竖向预应力钢筋防弹出系统由上至下依次包括桥面功能恢复系统、胶结缓冲系统、冲击力分散系统、抗震锚固系统，

如图4所示，所述的桥面功能恢复系统由上至下依次包括薄层沥青混凝土15和防水层22，所述防水层22主要功能防止水汽渗入胶结缓冲系统，保护抗震锚固系统及冲击力分散系统的钢材不受腐蚀，所述的薄层沥青混凝土15将恢复与原来桥面铺装一致性功能，采用薄层结构厚度为2~4 cm，具有抗滑性能好、抗磨耗、开放交通早、降低路面行驶噪音等优良性能。

如图5所示，所述胶结缓冲系统的厚度至少为8 cm，包括浇筑设置在所述冲击力分散系统上的钢纤混凝土14，采用C50钢纤维纯纤维混凝土，钢纤维含量60kg/m3，纯纤维含量1kg/m3，用于将抗震锚固系统及所述冲击力分散系统胶结为一体，该胶结缓冲系统具有较强的抗弯拉、抗冲击及抗疲劳性能，能有效地分散冲击力，抑制混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成。

如图6所示，所述冲击力分散系统包括若干均匀设置的纵向钢筋22及横向钢筋21，均采用HRB400钢筋，所述植入锚筋20的弯钩处与所述纵向钢筋22及横向钢筋21的相交处固定连接。其中，所述的横向钢筋21位于纵向钢筋22上面，其平面间距为10cm，直径至少为16mm，净保护层厚度至少为3cm，所述纵向钢筋22的直径至少为12mm，平面间距为10cm。

如图7所示，所述的抗震锚固系统包括顶端带弯钩的植入锚筋20、胶粘扩底锚栓19、直接抗冲击钢板18、粘钢胶17、剪力钉16，所述胶粘扩底锚栓19固定在箱梁混凝土内，所述直接抗冲击钢板18通过胶粘扩底锚栓19和粘钢胶17固定在箱梁混凝土上表面且覆盖住竖向预应力钢筋8上端，所述剪力钉16竖直焊接固定在所述直接抗冲击钢板18上表面。

所述的植入锚筋20采用HRB400钢筋，呈平面纵横的梅花形布置，间距为30x30cm，其一端采用植筋胶24锚固在混凝土中，锚固深度大于10倍钢筋直径，另外一端设有180°弯头，勾住所述冲击力分散系统的横向钢筋外侧。

所述胶粘扩底锚栓19采用8.8级热镀锌合金钢，其底部的扩锚部分长度至少为1/5锚栓长度，扩展角度至少为20度，锚杆及螺帽热镀锌层厚度至少为100 um，各胶粘扩底锚栓19平面纵横地间距40x40cm布置，围绕竖向预应力钢筋8周边均匀布置四根，其一端采用植筋胶24锚固在混凝土中，锚固深度大于10倍锚栓直径，另一端用螺帽锚固在直接抗冲击钢板18边缘。施工时先钻取直孔，然后再使用扩孔工具在锚孔的底部预先形成扩孔，注入1/3孔深量的植筋胶，插入胶粘扩底锚栓，通过敲击锚栓套管的方式，使锚栓的扩张机构在底部扩孔中进行扩张， 填满底部已扩张的空间，形成抗地震机械自锁锚固功能。

所述直接抗冲击钢板18采用厚度不小于12mm的Q345C钢板，通过压力灌注粘钢胶17粘贴在混凝土顶面，其非粘贴面进行热镀锌，镀锌层厚度至少为100um。

所述粘钢胶17是直接抗冲击钢板与混凝土基底粘结的关键材料，厚度为2-4mm，采用I类A级胶，使所述直接抗冲击钢板18对混凝土正拉粘结强度至少为2.5 MPa且为混凝土内聚破坏。

所述剪力钉16采用电弧螺柱焊用圆柱头焊钉，材料为ML15，按20x20cm的间距平面纵横地围绕所述竖向预应力钢筋8周边焊接布置在所述直接抗冲击钢板18顶面，围绕竖向预应力钢筋周边布置4根。各剪力钉16深入并伸出所述冲击力分散系统的最外层钢筋至少1cm，保证直接抗冲击钢板参与胶结缓冲系统及冲击力分散系统形成整体，共同抵抗瞬时冲击力。

如图8至图12所示，一种如所述的具有抗震功能的竖向预应力钢筋防弹出系统的施工方法，包括步骤：

步骤1：如图8所示，进行局部交通围蔽，沿横桥向在竖向预应力钢筋8两侧至少1m范围铣刨竖向预应力钢筋8顶面的原桥面沥青混凝土1，其中，对粘贴直接抗冲击钢板18的位置进行清理、凿平顺，露出坚硬的混凝土平面26，其它非直接抗冲击钢板18位置凿毛得到凹凸粗糙面25，所述凹凸粗糙面25的沟槽深度为6mm，完成基底处理。

步骤2： 如图9所示，将直接抗冲击钢板18开灌浆孔和锚栓孔，焊接剪力钉16，非粘贴面热镀锌；固定胶粘扩底锚栓19时先钻取直孔，然后再使用扩孔工具在锚孔的底部预先形成扩孔，注入至少1/3孔深量的植筋胶24，通过敲击锚栓套管的方式，使胶粘扩底锚栓19的扩张机构在底部扩孔中进行扩张， 填满底部已扩张的空间，形成抗地震机械自锁锚固功能，安装所述胶粘扩底锚栓19和直接抗冲击钢板18后，拧紧锚栓、封边、压力注胶；将植入锚筋20一端加工成180°弯钩，钻孔，注入1/3孔深量的植筋胶24后，使弯钩与横桥向成45°方向插入孔内， 完成抗震锚固系统安装，本步骤中，所述直接抗冲击钢板18周边用符合要求的材料封边，固化后方能灌注胶。

步骤3：如图10所示，按间距10安装纵向钢筋22，在植入锚筋20位置穿过弯勾，按间距10将横向钢筋21安装在所述纵向钢筋22上面，在植入锚筋20位置穿过弯勾。

步骤4：如图11所示，配制钢纤混凝土14，所述的钢纤混凝土14采用C50钢纤维纯纤维混凝土，其中钢纤维含量为60kg/m3，纯纤维含量为1kg/m3，用水充分浇透基面后，浇筑钢纤混凝土14，充分振捣密实，进行养生。

步骤5：如图12所示，清洁混凝土表面后，涂刷防水涂料至少三遍形成防水层23，所述的防水层23采用水泥基渗透结晶型防水涂料，总用量为1800g/m2，待涂料干燥后，摊铺薄层沥青混凝土15，碾压成形；待薄层沥青混凝土15降至大气温度后，清理围蔽，开放交通。

本实施例的施工方法中纵横钢筋及植入钢筋的加工、焊钉与抗冲击钢板焊接、钢板的开孔及热镀锌等关键工序，均在工厂完成，可操作性及可控性好，避免了现场风、雨、雾等恶劣的施工环境影响，极大提高了整体施工质量，确保了系统可靠性，局部桥面施工，不需全封闭交通，可在部分通车情况下施工，对桥下通航通车无任何影响，在交通繁忙桥上及通航频繁航道上的优势明显，现场作业简单，工效高，能全部覆盖所有竖向预应力钢筋，不留隐患，系统寿命理论上与桥梁寿命相同，极大地提高该类桥梁的安全性，推动了桥梁加固技术的发展，可靠性好，安全性好，环保性好，造价低，具有良好的社会及经济效益。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。