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SRAP工藝加固設(shè)計原理
2011-07-20 來源:
一、SRAP工藝的原理
韓國M&S工業(yè)株式會社的專利技術(shù)SRAP工藝是采用鍍鋅軟鋼絲束(簡稱SR加固材料)對混凝土梁體施加預(yù)應(yīng)力,采用多功能氧化鋁聚糖樹脂砂漿(簡稱AP樹脂砂漿)對混凝土結(jié)構(gòu)進行修補的綜合加固技術(shù)。


 

鍍鋅軟鋼絲束靠錨固于混凝土梁體上的角鋼固定,采用螺旋扣環(huán)拉緊器進行張拉。為了增強鍍鋅軟鋼絲束與修補砂漿的粘著力,在軟鋼絲束上纏繞彈簧線圈。軟鋼絲束張拉后,由于預(yù)加力的作用,使梁體反向彎曲,在混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。然后,噴注AP樹脂砂漿,將預(yù)應(yīng)力鋼筋與梁體混凝土連為一體,兩者共同工作,使結(jié)構(gòu)的承載能力提高,工作性能改善。
SRAP工藝采用的預(yù)應(yīng)力鋼筋由鍍鋅軟鋼絲束和彈簧線圈構(gòu)成。鍍鋅軟鋼絲束為7×19型,規(guī)格為φ3.2mm※1.2(S)、φ4.8mm※1.5(M)、φ6.3mm※1.8(L)、φ8.0mm※2.0(XL)。其試驗力學(xué)性能指標(biāo)列于表1。
表1:鍍鋅軟鋼絲束的試驗強度指標(biāo)
規(guī) 格
截面面積(mm2
試驗損壞荷載(N)
試驗抗拉極限強度(MPa)
φ3.2mm※1.2(S
5.091
8000
1571.4
φ4.8mm※1.5(M
10.83
20000
1846.7
φ6.3mm※1.8(L
18.60
29750
1599.5
φ8.0mm※2.0(XL
30.40
45200
1486.8
注:※、1.2、1.5、1.8、2.0表示彈簧線圈的螺矩
SRAP工藝采用的氧化鋁聚糖樹脂砂漿是一種強度高,密實性好,抗腐蝕性能強的多功能復(fù)合砂漿,其主要試驗資料摘錄于表2。
表2:AP樹脂砂漿主要試驗結(jié)果
試驗項目
M&S公司提供的試驗結(jié)果
中國國家建筑材料測試中心的試驗結(jié)果
試驗值
試驗標(biāo)準(zhǔn)
試驗值
試驗標(biāo)準(zhǔn)
標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)
抗壓強度(28d)
65.3Mpa
韓國標(biāo)準(zhǔn)
KSF4042
41.8Mpa
中國標(biāo)準(zhǔn)GB18445-2001
18.0Mpa
抗折強度(28d)
16.8Mpa
韓國標(biāo)準(zhǔn)
KSF4042
9.2Mpa
中國標(biāo)準(zhǔn)GB18445-2001
3.5Mpa
粘結(jié)強度(28d)
3.16Mpa
韓國標(biāo)準(zhǔn)
KSF4042
1.2Mpa
中國標(biāo)準(zhǔn)GB18445-2001
1.0Mpa
收縮率
0.013%
韓國標(biāo)準(zhǔn)
KSF4042
0.3%
中國標(biāo)準(zhǔn)
JC/T 547-1994
0.5%
抗碳化能力
1.4mm(CO25%28d)
韓國標(biāo)準(zhǔn)
KSF4042
 
 
 
 
從表2給出的試驗數(shù)據(jù)可以看出,AP樹脂砂漿的突出優(yōu)點是:
(1)AP樹脂砂漿具有較高的抗壓強度和彎折強度,特別是其彎折強度約為一般砂漿2~3倍。彎折強度高,即抗拉強度高,表明AP樹脂砂漿具有較高的抗裂能力。
(2)AP樹脂砂漿密實性能好,抗化學(xué)腐蝕能力能,抗碳化(中性化)能力強。采用AP樹脂砂漿修補和表層保護的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性大大提高。SRAP工藝中,為了進步提高被加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,在AP樹脂砂漿表面還可再涂一層AP陶瓷保護漆(MS-AP1201),AP陶瓷保護漆是利用粉末狀樹脂制成的混凝土表面保護阻燃型涂料,具有極強的抗化學(xué)腐蝕能力,可以起到防水、耐化學(xué)腐蝕和抗氣候環(huán)境侵蝕等作用,可以極大地提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
(3)AP樹脂砂漿的粘結(jié)強度高,采用噴注方法施工的AP樹脂砂漿與被加固梁體混凝土具有較高粘結(jié)強度,為兩者共同工作提供了可靠的保證。SRAP工藝中,在噴注AP樹脂砂漿之前,先在補加固梁體混凝土表面噴灑一層AP底漆(MS-AP1011),底漆滲入梁體混凝土中,即可修補裂縫,又可提高AP樹脂砂漿與混凝土之間的粘著力。
二、SRAP工藝在橋梁加固工程中的應(yīng)用
SRAP工藝在韓國的橋梁和建筑工程加固中已廣泛應(yīng)用。韓國M&S公司將SRAP工藝引進中國后,受到中國土木工程界同行的廣泛關(guān)注。SRAP工藝采用先進的預(yù)應(yīng)力加固原理,以其預(yù)應(yīng)力張拉方便,錨固構(gòu)造簡單和結(jié)構(gòu)耐久性高的技術(shù)優(yōu)勢,很快打進中國市場,在修建了試驗工程,SRAP工藝在中國的推廣有了一個良好的開端。但是,SRAP工藝在中國的進一步推廣,還應(yīng)解決SRAP工藝加固工程的科學(xué)設(shè)計問題,在進一步試驗研究的基礎(chǔ)上,給出與中國有關(guān)設(shè)計規(guī)范設(shè)計可靠度相適應(yīng)的材料強度指標(biāo)和設(shè)計參數(shù),建立與中國規(guī)范相適應(yīng)的加固設(shè)計方法。
三、SRAP工藝所用材料的強度指標(biāo)
新修訂的<公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范>(JTG D62-2004)[以下簡稱<橋規(guī)>(JTGD62)]采用可靠度設(shè)計法,用于結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計又稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計法。與其相對應(yīng)的材料強度指標(biāo)分為強度標(biāo)準(zhǔn)值和強度設(shè)計值兩種概念。強度標(biāo)準(zhǔn)值取其概率分布的0.05分位值確定,其保證率為95%;強度設(shè)計值由材料的標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項系數(shù)確定。
SRAP工藝所用的鍍鋅軟鋼絲和AP樹脂砂漿的強度指標(biāo)應(yīng)在對試驗資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ),按中國有關(guān)規(guī)范的可靠指標(biāo)確定。在當(dāng)前試驗資料不足的情況,采用SRAP工藝進行橋梁加固設(shè)計時,鍍鋅軟鋼絲和AP樹脂砂漿的強度指標(biāo),建議暫按下規(guī)定采用:
鍍鋅軟鋼絲:抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值      fpk =1470Mpa
            抗拉強度設(shè)計值      fpd =1000Mpa
            彈性模量            Ep =1.95×105Mpa
AP樹脂砂漿:抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值       fck.AP =26.8Mpa
             抗壓強度設(shè)計值       fcd.AP =18.4Mpa
             抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值       ftk.AP =8Mpa
             抗拉強度設(shè)計值       ftd.AP =5.5Mpa
             彈性模量             Ec.AP =3.25×104Mpa
四、SRAP工藝加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面承載能力極限狀態(tài)計算
采用SRAP工藝加固的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件一般以正截面承載力控制設(shè)計,加固構(gòu)件的正截面承載能力極限狀態(tài)計算是加固設(shè)計的核心內(nèi)容。
SRAP工藝加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計算公式,與一般有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件具有大致相同的表達(dá)形式,其主要特點是:
(1)橋梁加固應(yīng)考慮分階段受力的影響;
(2)加固構(gòu)件承載力一般以原梁受拉鋼筋屈服控制設(shè)計;
        (3)對極限狀態(tài)下后加預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力不加嚴(yán)格限制,可以小于其抗拉強度設(shè)計值。
      1 承載力計算的基本方程式
        
SRAP加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計算圖式如圖2所示。
 
承載力計算基本方程由力的平衡條件求得:
由ΣX=0得
             (1)
由ΣM=0得
       (2)
公式適用條件是
                    (3)
式中 ——按<橋規(guī)>(JTG D62)計算的彎矩組合設(shè)計值;
——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);
——原梁混凝土的抗壓強度設(shè)計值;
——原梁縱向受拉鋼筋的抗拉強度設(shè)計值;
h01——原梁受拉鋼筋合力作用點至截面受壓緣的距離,,其中as為原梁受拉鋼筋合力作用點至截面受拉邊緣的距離;
——后加預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點至截面受壓邊緣的距離,,其中為AP樹脂砂漿層厚度,為預(yù)應(yīng)力鋼筋合力作用點至加固后截面受拉邊緣的距離;
h0——后加預(yù)應(yīng)力鋼筋和原梁受拉鋼筋合力作用點至截面受壓邊緣的距離,
——原梁受拉鋼筋的混凝土受壓區(qū)高度界限系數(shù),對R235鋼筋(I級鋼), =0.62;對HRB335鋼筋(Ⅱ級鋼), =0.56;
——極限狀態(tài)下,后加預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力。
極限狀態(tài)下后加預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力可根據(jù)變形條件確定,并應(yīng)考慮橋梁加固構(gòu)件分階段受力的影響,其數(shù)值與混凝土受壓區(qū)高度x和一期荷載作用下原梁的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。參考文獻(xiàn)[3]的推導(dǎo),后加預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力可按下式計算:
               (7)
式中 ——預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉強度設(shè)計值;
 ——極限狀態(tài)下,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變增量;
   ——預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量;
——預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力,,對SRAP工藝,建議取控制應(yīng)力,只考慮鋼筋應(yīng)力松馳損失,近似取,為預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。
——混凝土的極限壓應(yīng)變,對C50及以下混凝土,?。?/span>
   ——混凝土受壓區(qū)矩形應(yīng)力圖高度系數(shù),對C50及以下混凝土,取。
——系數(shù),;
——一期荷載作用下,原梁受拉鋼筋的應(yīng)變;
——一期荷載引起的彎矩設(shè)計值,,此處為構(gòu)件自重及恒載引起彎矩標(biāo)準(zhǔn)值。
(2)實用計算方法
采用SRAP工藝加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計可分為配筋設(shè)計和承載力復(fù)核兩種情況。
(1)配筋設(shè)計
配筋設(shè)計的主要內(nèi)容是根據(jù)按加固要求的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)計算的彎矩組合設(shè)計值,按主要控制截面的正截面抗彎承載力要求,確定預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積。
這時,可首先按,代入公式(2)解二次方程,求得混凝土受壓區(qū)高度,若,且時,所得x即為所求,將其代入公式(1),求得所需預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積Ap。
若所得,但時,應(yīng)將的計算表達(dá)式(4)和(5)代入公式(2),解三次方程,重新計算,并將其代入公式(4)和(5)求得值。然后,將所得和值代入公式(1),求得所需的預(yù)應(yīng)力筋截面面積。
(2)承載力復(fù)核
對已經(jīng)初步設(shè)計好的截面進行承載力復(fù)核的目的是確定加固后的截面所能承受的彎矩設(shè)計值,判斷結(jié)構(gòu)的安全程度。
這時,首先取,代入公式(1)求得混凝土受壓區(qū)高度,若所得,且時,所得即為所求,將其代入公式(2),求得該截面所能承受的彎矩設(shè)計值,若,說明該截面的承載力滿足要求。
若所得,但時,應(yīng)將的計算表達(dá)式(4)和(5)代入公式(1),解二次方程,重新計算,并將其代入公式(4)和(5)求得值。然后,將所得和值入公式(2),求得該截面所能承受的彎矩設(shè)計值,若,說明該截面的承載力滿足要求。
五、SRAP工藝加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件使用荷載作用階段的應(yīng)力驗算的基本原理
<橋規(guī)>JTG D62沿用過去的設(shè)計習(xí)慣,對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件,除進行承載力計算外還需要進行使用荷載作用下的應(yīng)力驗算,并控制其力于規(guī)范規(guī)定的允許值。
橋梁加固受彎構(gòu)件使用荷載作用階段的應(yīng)力驗算,應(yīng)考慮分階段受力特點。采用SRAP工藝對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件(板、梁)正截面進行加固補強,是在被加固梁體的外部施加預(yù)應(yīng)力。在一期荷載效應(yīng)(構(gòu)件自重和恒載效應(yīng))和預(yù)加力作用下,具有體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的工作性質(zhì)。噴注AP樹脂砂漿保護層后,將體外預(yù)應(yīng)力筋與被加固梁體連為整體。在二期荷載效應(yīng)(活載效應(yīng))作用下,預(yù)應(yīng)力筋與被加固混凝土梁體共同工作,具有一般有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的工作性質(zhì)。
1、一期荷載效應(yīng)(構(gòu)件自重和恒載效應(yīng))作用下的應(yīng)力計算
橋梁加固一般采用帶載加固,一期荷載由原梁承擔(dān),在一期荷載作用下,原梁受拉區(qū)已經(jīng)開裂,但構(gòu)件仍處于彈性工作階段。一期荷載效應(yīng)引起的截面應(yīng)力,可采用開裂的鋼筋混凝土換算截面幾何性質(zhì),按材料力學(xué)公式計算。
2、預(yù)加力和一期荷載效應(yīng)(活載效應(yīng))作用下的應(yīng)力計算
預(yù)加力和一期荷載效應(yīng)傷腦筋征應(yīng)力計算圖式與所加所預(yù)回大大小有關(guān)。
(1)若原梁的配筋率較低,所加預(yù)加力較大,全截面參加工作。
預(yù)加力引起的截面應(yīng)力,可采用按原梁全截面參加工作的換算截面幾何性質(zhì)(),按材料力學(xué)公式計算。
二期荷載效應(yīng)(活載效應(yīng))引起的截面應(yīng)力,可采用按加固后的梁全截面參加工作的換算截面的幾何性質(zhì)(),按材料力學(xué)公式計算。
計算應(yīng)力疊回后應(yīng)滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土或部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的應(yīng)力控制條件,即原梁受拉邊緣不得出現(xiàn)拉應(yīng)力或控制拉應(yīng)力小于某一允許值。
(2)受原梁配筋率的限制,所加預(yù)加力較小時,部分截面參加工作。在預(yù)加力和二期荷載效應(yīng)(活載)作用下的截面應(yīng)力應(yīng)按開裂的部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件計算。部分預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件開裂后的截面應(yīng)力計算方法可參見參考文獻(xiàn)[1]、[2]。
六、SRAP加固設(shè)計實例
1、原梁的基本情況及加固設(shè)計要求
原橋為跨徑12m的鋼筋混凝土空心板梁橋,全橋由10塊寬度為1m的鋼筋混凝土空心板組成。設(shè)計荷載等級為公路Ⅱ級。
單板跨中截面的內(nèi)力為:
恒載彎矩標(biāo)準(zhǔn)值 MGK=173.06KN.m
活載彎矩標(biāo)準(zhǔn)值 MQK=251.64KN.m
結(jié)構(gòu)安全等級為三級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9;
彎矩組合設(shè)計值為:
=0.9(1.2×173.06+1.4×251.64)=503.97KN.m
原梁采用C25混凝土,fcd=11.5Mpa;HRB335(Ⅱ級鋼)鋼筋,fsd=280MPa,ξb.s=0.56。按公路Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn)(γ0Md=503.97KN.m)設(shè)計的截面尺寸及配筋情況示于圖3。
 
為了計算方便,將空心板截面換算為抗彎等效的I形截面(圖4).

上翼緣厚度 mm
下翼緣厚度 
腹板寬度    mm
14φ22(外徑為25.1mm),供給的鋼筋截面面積As=5321.4mm2,原梁的有效高度 mm
因原路改建為高速公路的需要,設(shè)計荷載等級提高為公路一級,結(jié)構(gòu)安全等級提高為二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù) 1.0。提高后的彎矩組合設(shè)計值為
KN.m。
要求按提高后的荷載標(biāo)準(zhǔn)(γ0Md=667.4 KN.m)進行加固補強設(shè)計。
2、加固方法的選擇
(1)方案一
采用SRAP工藝加固,在梁的受拉區(qū)增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼筋張拉后噴注AP樹脂砂漿保護層。
SRAP加固設(shè)計應(yīng)以原梁鋼筋屈服為限制條件,即加固后混凝土受壓區(qū)高度的最大值為  h01=0.56×407.5=228.2mm,將此x值代入公式(2),即可求得加固后的梁所能承受的最大彎矩設(shè)計值
式中 h0為后加預(yù)應(yīng)力鋼筋和原梁受拉鋼筋合力作用點至截面受壓邊緣的距離,此處假設(shè)h0=407.5+8≈420mm
= 587.45×106N.mm = 587.45KN.m < γ0Md = 667.4 KN.m
計算結(jié)果表明,就本例而言,單純采用在原梁受拉區(qū)增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋的辦法加固是不可行的。
(2)方案二
對于原梁建筑高度較小,配筋率較大的情況,通常的加固方法是:
(1)采取構(gòu)造措施,使橋面鋪裝層參與主梁共同工作,增加梁的有效高度;
(2)在受拉區(qū)增設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋(或粘貼鋼板或其他高強復(fù)合纖維)。
現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),原橋橋面鋪層破損嚴(yán)重,需全部拆除重修。為了加強橋面鋪裝層與原橋粘結(jié),增設(shè)抗剪連接件(栓釘),在橋面鋪層中設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng),以保證橋面鋪層參與主梁共同工作。本橋新建橋面鋪裝層為100mm C30防水混凝土,偏于安全地取50mm參與主梁工作。
這樣,梁的有關(guān)計算參數(shù)為h01=407.5+50=457.5mm,假設(shè)h0=420+50=470mm。h"f = 95 + 50=145mm,b"f =1000mm,b=456mm。As=5321.4mm2。
按考慮50mm橋面鋪裝層參與主梁工作的加固方案,加固后所參承受的最大彎矩組合設(shè)計值為:
 
= 819.93×106N.mm = 819.93KN.m > γ0Md = 667.4KN.m
計算結(jié)果表明,方案二是可行的。
3、加固方案的設(shè)計與計算
設(shè)計組合彎矩γ0Md = 667.4KN.m,
原梁按考慮50mm橋面鋪裝層參與工作的計算參數(shù)取用,后加預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ6.3鍍鋅軟鋼絲,fpd = 1000MPa,fpk = 1470MPa,ξb.p=0.4。AP樹脂砂裝層厚度50mm,預(yù)應(yīng)力筋合力作用點至截面受壓邊緣的距離h02 = mm
(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量確定
首先,由公式(2)計算混凝土受壓區(qū)高度x
667.4×106 = 11.5×456x
整理后得: x2-940x+11017.47=0
解得 x=147.69mm >h"f =145mm
<mm
<mm
故取 MPa
將所得x值代入公式(1)求得所需預(yù)應(yīng)力鋼筋截面積
Ap =190.9 mm2
選擇φ6.3鍍鋅軟鋼絲,單根截面面積Ap1=18.6mm2,選12φ6.2,供給鋼筋截面面積Ap=12×18.6=223.2mm2,鋼筋間距S=83.3mm,張拉控制應(yīng)力 MPa,單根鋼絲束張拉力Ncon=16,450.2N=16.4KN。
(2)承載力校核
按最后選定的預(yù)應(yīng)力鋼筋截面和布置方案,重新計算預(yù)應(yīng)力鋼筋和原梁受拉鋼筋合力作用點至截面受壓邊緣的距離
mm
由公式(1)計算混凝土受壓區(qū)高度
mm > h"f = 145mm
<mm
<mm
故取 MPa
由公式(2)求得該截面所能承受的彎矩設(shè)計值
 
        = 671.12×106 N.mm = 671.12 KN.m > γ0Md = 667.1KN.m
計算結(jié)果表明,加固后承載力滿足要求。

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