预应力先张法和后张法联合加固混凝土受弯构件的方法

摘要

本发明的预应力先张法和后张法联合加固混凝土受弯构件的方法，步骤为：将锚座固定于混凝土受弯构件受拉面的两端，并对混凝土受弯构件进行表面粗糙处理；穿预应力钢丝于锚板，钢丝一端固定，另一端张拉，对称逐根张拉所有预应力钢丝并锚固，完成对构件的后张法施加预应力；对混凝土粗糙处理面进行清洁后，喷涂界面剂层；在所述界面剂层上分层喷射或涂抹普通高强度水泥砂浆；待砂浆层养护达到强度后，从锚座两端对称间隔放张部分钢丝或全部钢丝，对混凝土受弯构件受拉边和砂浆层施加压应力。本发明与只采用预应力后张法相比，降低了实现预应力加固的成本，既可以采用高强钢丝束，又可以采用普通强度的预应力钢丝，综合加固成本大大降低。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁工程及建筑工程技术，具体涉及预应力先张法和后张法联合加固混凝土受弯构件的方法。

背景技术

目前，预应力加固桥梁所采用的施工方法为后张法，即通过两端锚头所施加压力的传递，对混凝土桥梁受拉边产生预压应力。所采用的预应力钢筋有：高强钢丝束（包括钢绞线）（市售产品名称）、钢丝绳、钢丝或其它高强粗钢筋或型钢。预应力钢筋有布置在构件体外的，有布置在构件体内的。布置在体外时，要么直接对预应力钢筋包裹保护，要么用混凝土或砂浆覆盖，布置在体内时通过钻孔布索，张拉后灌水泥浆保护。通常对于横截面是T形、箱形、工字形的混凝土桥梁适合用钢丝束或粗钢筋作为预应力钢筋，布置在原构件体外，张拉后可直接包裹或覆盖保护。而对于构件受拉边是大平面的板式结构（受弯构件）、箱梁的板底或腹板局部受拉面，则适合采用分散于平面布置的钢丝、钢丝绳或细钢筋作为预应力筋，一般布置在原构件体外，张拉后用砂浆覆盖。

申请号为200610012294.5的专利申请文件提供了预应力钢丝绳抗弯加固混凝土结构及其加固方法，以及论文<预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土梁的理论分析，土木工程学报，2007年40卷12期>阐述的方法是在构件的受拉边设置锚座，采用多根高强钢丝绳（市售产品名称）作为预应力筋，张拉锚固后，采用高强聚合物砂浆（市售产品名称）覆盖4～5cm。该方法的高强聚合物砂浆主要是起保护钢丝绳的作用，砂浆层本身没有受到预压应力，而又位于受拉边缘，在加固后的荷载作用下，砂浆层所受拉应力最大，因此对砂浆层的抗拉强度要求高，这种高强的砂浆材料的价格为普通高强度砂浆的6倍左右，而且只能由厂家生产成成品，不能工地配制，加固成本较高，难予广泛应用。

发明内容

为克服现有相关技术的不足，本发明提供一种预应力先张法和后张法联合加固混凝土受弯构件的方法。

本发明目的具体通过下述技术方案得以实现：

（1）锚座加工及固定：根据受力需要设计加工锚座，将锚座固定于混凝土受弯构件受拉面的两端，并对混凝土受弯构件进行表面粗糙处理；

（2）预应力钢丝的张拉与锚固：穿预应力钢丝于锚板，钢丝一端固定，另一端张拉，对称逐根张拉所有预应力钢丝并锚固，对混凝土粗糙处理面进行清洁后，喷涂界面剂层，喷涂厚度按产品要求；

（3）砂浆层敷设：按界面剂产品喷涂后的时间要求，在所述界面剂层上分层喷射或涂抹砂浆层；

（4）预应力钢丝放张：待砂浆层养护达到强度后，根据受力需要及粘结面剪切强度要求，从锚座两端对称间隔放张部分钢丝或全部钢丝，利用先张法传力原理对混凝土受弯构件受拉边和砂浆层施加压应力。

由于砂浆层储备了压应力，可承受一定的拉应力，从而无需采用价格昂贵的高强聚合物砂浆。

所述步骤（1）锚座采用厚钢板，由锚板、垫板和加劲板组成，按受力需要设计钢丝间距及钢丝直径，加工好锚座，加劲板主要是起保证锚座的刚度、传递和扩散锚板及垫板应力作用的。锚座垫板通过植筋螺栓和环氧树脂粘结胶固定于原受弯构件受拉面的两端，穿钢丝前需对混凝土受弯构件结合面进行粗糙处理；

混凝土受弯构件为板式受弯构件、箱形梁底板受拉边或箱形梁腹板受拉边，这种结构高度小、无空间布置其它预应力钢束。

所述步骤（2）界面剂层采用亲水性的环氧类界面剂，其粘结剪切破坏为混凝土内聚破坏；预应力钢丝采用直径为3mm～5mm的高强低松弛钢丝（市售产品名称）。

张拉预应力钢丝可采用千斤顶纵向张拉，对称逐根张拉钢丝并锚固；锚固一般采用墩头锚或锥形锚，也可采用其他类似形式的纵向张拉方法和锚固方法。

所述步骤（3）砂浆层采用M30以上的普通高强度水泥砂浆，砂浆层的厚度为4cm～5cm。

水泥砂浆中也可添加纤维丝和增强粘结性、早强性的添加剂，以方便施工，具体添加量根据产品说明而定。

所述步骤（2）喷涂界面剂层的厚度为界面剂产品要求的厚度，根据界面剂层产品喷涂后的时间要求进行步骤（3）操作。

所述步骤（4）施加预应力方法为先张法和后张法结合。

由于近些年来混凝土界面剂品种增多，粘结强度也大大提高，可作为老混凝土与新混凝土或砂浆结合面的可靠粘结剂，这类粘结剂是亲水性的环氧类界面剂，要求此类界面剂在作结合面剪切强度试验时，不会发生界面剂本身破坏，而是发生混凝土表面的内聚破坏，当然结合面的剪切强度还与被加固构件混凝土表面处理的粗糙度有关。

只要被加固构件混凝土及砂浆有一定强度，采用这类环氧类界面剂粘结后，能承受砂浆层所受压力对粘结面产生的相应剪切强度，就可采用本发明的方法进行预应力加固。而桥梁上大量使用的小跨径板式桥，其混凝土强度一般都能满足要求。

本发明是采用先张法和后张法联合加固，在砂浆层覆盖前，需在结合面喷涂环氧类界面剂保证构件表面混凝土与砂浆接合面有可靠的粘结力。通过放张部分或全部钢丝，利用先张法传力原理对砂浆层及原构件受拉边都施加预压应力，而未放张钢丝仍按后张法传力原理仅对原构件受拉区施加压应力。如果钢丝全部放张，则施加预应力方法由后张法全部转换为先张法。完成对混凝土受弯构件的加固。这样就大大增加了砂浆层的抗拉能力，因而只需采用普通的高强度砂浆，而不用昂贵的高强聚合物砂浆，使该部分加固成本大为降低。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明采用普通的高强低松弛光面钢丝、刻痕钢丝、钢丝绳作预应力钢丝，不限于只用高强钢丝绳，最关键的是本发明采用普通高强度水泥砂浆，市场价约800元/立方，而其它方法采用高强聚合物砂浆市场价约1800元/吨～2800元/吨，平均2300元/吨，按比重换算成每立方单价至少5000元/立方；

（2）本发明使用了界面剂，质量较好的界面剂市场价约120元/公斤，每平方米喷涂量0.3～0.4公斤，造价约42元/平方米，加上喷涂施工费8元/平方米，则界面剂增加造价：42+8=50元/平方米。覆盖钢丝的砂浆层厚度如果按5厘米计（假设两种方法喷射砂浆的损失率相同，不参与对比），则每平方米需用砂浆0.05方，本方法材料造价约为：50+0.05×800=90元/平方米，其它方法约为：0.05×5000=250元/平方米。加上本方法需要放张的施工费用，本方法该项造价比其它方法节省一半多，而两种方法中该项造价占总加固成本一半以上，其余材料用量大致相同，考虑到施工工艺等因素，本方法的综合加固成本可比其它方法节省近30%；

（3）施工工艺方面，本方法与其它方法相比增加了喷涂界面剂和放张钢丝工序，其它工艺基本相同；

（4） 施工设备方面，本方法增加喷涂界面剂的小工具，其它方法如果采用高强聚合物砂浆专用喷射机，则价格比一般砂浆喷射机高。其余设备基本相同；

（5）加固原理方面，本发明采用预应力先张法和后张法的有机结合，受力合理、均匀，砂浆层也受到预压应力，使用效果好，工艺稍多但已成熟，对构件表面粗糙度的处理比其它方法稍高，可使用普通材料就能实现预应力加固。而其它方法只采用预应力后张法，锚下应力集中程度大，对锚固质量要求比本方法高，砂浆层没有预压应力，需使用价格很高的高强聚合物砂浆才能实现预应力加固。

一般情况下，只要在砂浆层中建立起的压应力接近或达到高强聚合物砂浆的抗拉强度，其使用效果就与采用高强聚合物砂浆相当，从而只需采用普通的高强度水泥砂浆，而不用昂贵的高强聚合物砂浆，使该部分加固成本大为降低。

附图说明

图1为本发明步骤（1）中锚座的组成及横截面图；

图2为本发明步骤（2）固定锚座、穿拉预应力钢丝，张拉并锚固的示意图；

图3为本发明步骤（3）敷设砂浆层的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

本发明中的实验构件按设计方法和有限元方法计算出各施工阶段的材料应力值，根据钢筋混凝土和预应力混凝土结构理论，基于现行相关规范（公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，JTG D62-2004）的基本设计计算方法，完成钢丝数量估算、各施工阶段混凝土及钢丝的应力计算到加固完成后的各材料应力计算、承载能力计算。 

本实施例中的实验构件为长2.2m、宽60cm、高23cm的C30钢筋混凝土简支板，加工的条形锚座，如图1所示，采用11根φ5mm的高强低松弛预应力钢丝。

预应力先张法和后张法联合加固混凝土受弯构件的具体步骤如下：

将条形锚座固定于钢筋混凝土板底面受拉区的两端，并对板底面进行粗糙处理。

预应力钢丝的张拉与固定：穿预应力钢丝于锚板，钢丝一端固定，另一端张拉，按设计张拉力对称逐根张拉所有预应力钢丝并锚固，完成后张法施加预应力，测试出各根钢丝、板底受拉边混凝土各点的压应变（应力），如图2所示，对板底面进行清洁后，喷涂Nitobond EP slow set界面剂层。

砂浆层涂抹：待喷涂界面剂层达到产品要求的时间后，在其上涂抹M30普通高强度水泥砂浆层，厚度为4.5cm，图3所示。

预应力筋放张：待砂浆层养护达到强度后，从锚座两端对称间隔放张部分钢丝共6根，对砂浆层施加压应力。此时，分别测试出板底面及砂浆层表面的应变（应力），以及各钢丝的应变，板底面的应力由未放张的钢丝和已放张的钢丝产生，也就是先张发和后张法共同施加的压应力，而砂浆层中的压应力只由放张钢丝产生，即先张法所施加。在保证结合面粘结剪切强度的前提下，放张全部钢丝，则施加预应力方法由后张法全部转换为先张法。同样测出板底面及砂浆层表面的应变（应力），以及各钢丝的应变，完成对钢筋混凝土受弯构件的加固。

有限元计算分析

以试验混凝土板为有限元计算模型，其尺寸、材料、配筋、工序相同，采用midas FEA软件进行数值计算，混凝土板及钢锚座采用实体单元，共划分成57576个单元，钢丝采用桁架单元，张拉钢丝并锚固。砂浆层与板底混凝土粘结可靠，采用共同节点，覆盖砂浆层后放张钢丝。钢丝的放张采用沿钢丝全长输入均布预应力的方法进行。

放张钢丝采用了两种工况：先两端对称放张6根钢丝，测出所有采集点的应变，在保证结合面粘结剪切强度的前提下，放张全部钢丝，读出各点的应力值，观察砂浆层及混凝土表面的压应力变化。

不同阶段控制截面压应力的理论值、试验值、电算值的比较（MPa）测试结果如表1所示，其中理论值为以前述规范为依据的设计计算值，电算值为有限元计算值。

     表1 

注：表中应力均为压应力（MPa），试验值取控制截面各测点的平均值。

上表可看出放张部分钢丝后，砂浆层中已建立起一定压应力，可根据受力需要和粘结面的剪切强度来决定放张钢丝的数量。