SRAP工艺加固设计原理.doc

混凝土结构加固新工艺——SRAP工艺加固设计原理张树仁（哈尔滨工业大学 150090）一、SRAP工艺的原理 韩国M&S工业株式会社的专利技术SRAP工艺是采用镀锌软钢丝束（简称SR加固材料）对混凝土梁体施加预应力，采用多功能氧化铝聚糖树脂砂浆（简称AP树脂砂浆）对混凝土结构进行修补的综合加固技术图1 SPAP工艺加固示意图镀锌软钢丝束靠锚固于混凝土梁体上的角钢固定，采用螺旋扣环拉紧器进行张拉为了增强镀锌软钢丝束与修补砂浆的粘着力，在软钢丝束上缠绕弹簧线圈桥梁建设中，软钢丝束张拉后，由于预加力的作用，使梁体反向弯曲，在混凝土中产生预压应力然后，喷注AP树脂砂浆，将预应力钢筋与梁体混凝土连为一体，两者共同工作，使结构的承载能力提高，工作性能改善SRAP工艺采用的预应力钢筋由镀锌软钢丝束和弹簧线圈构成镀锌软钢丝束为7×19型，规格为φ3.2mm※1.2(S)、φ4.8mm※1.5(M)、φ6.3mm※1.8(L)、φ8.0mm※2.0（XL）其试验力学性能指标列于表1表1：镀锌软钢丝束的试验强度指标规 格截面面积（mm2）试验损坏荷载（N）试验抗拉极限强度（MPa）φ3.2mm※1.2（S）5.09180001571.4φ4.8mm※1.5（M）10.83200001846.7φ6.3mm※1.8（L）18.60297501599.5φ8.0mm※2.0（XL）30.40452001486.8注：※、1.2、1.5、1.8、2.0表示弹簧线圈的螺矩SRAP工艺采用的氧化铝聚糖树脂砂浆是一种强度高，密实性好，抗腐蚀性能强的多功能复合砂浆，其主要试验资料摘录于表2。

表2：AP树脂砂浆主要试验结果试验项目M&S公司提供的试验结果中国国家建筑材料测试中心的试验结果试验值试验标准试验值试验标准标准指标抗压强度（28d）65.3Mpa韩国标准KSF404241.8Mpa中国标准GB18445-2001≥18.0Mpa抗折强度（28d）16.8Mpa韩国标准KSF40429.2Mpa中国标准GB18445-2001≥3.5Mpa粘结强度（28d）3.16Mpa韩国标准KSF40421.2Mpa中国标准GB18445-2001≥1.0Mpa收缩率0.013%韩国标准KSF40420.3%中国标准JC/T 547-1994＜0.5%抗碳化能力1.4mm(CO25%28d)韩国标准KSF4042从表2给出的试验数据可以看出，AP树脂砂浆的突出优点是：（1）AP树脂砂浆具有较高的抗压强度和弯折强度，特别是其弯折强度约为一般砂浆2~3倍弯折强度高，即抗拉强度高，表明AP树脂砂浆具有较高的抗裂能力2）AP树脂砂浆密实性能好，抗化学腐蚀能力能，抗碳化（中性化）能力强采用AP树脂砂浆修补和表层保护的混凝土结构的耐久性大大提高SRAP工艺中，为了进步提高被加固混凝土结构的耐久性，在AP树脂砂浆表面还可再涂一层AP陶瓷保护漆（MS-AP1201），AP陶瓷保护漆是利用粉末状树脂制成的混凝土表面保护阻燃型涂料，具有极强的抗化学腐蚀能力，可以起到防水、耐化学腐蚀和抗气候环境侵蚀等作用，可以极大地提高混凝土结构的耐久性。

3）AP树脂砂浆的粘结强度高，采用喷注方法施工的AP树脂砂浆与被加固梁体混凝土具有较高粘结强度，为两者共同工作提供了可靠的保证SRAP工艺中，在喷注AP树脂砂浆之前，先在补加固梁体混凝土表面喷洒一层AP底漆（MS-AP1011），底漆渗入梁体混凝土中，即可修补裂缝，又可提高AP树脂砂浆与混凝土之间的粘着力二、SRAP工艺在桥梁加固工程中的应用SRAP工艺在韩国的桥梁和建筑工程加固中已广泛应用韩国M&S公司将SRAP工艺引进中国后，受到中国土木工程界同行的广泛关注SRAP工艺采用先进的预应力加固原理，以其预应力张拉方便，锚固构造简单和结构耐久性高的技术优势，很快打进中国市场，在修建了试验工程，SRAP工艺在中国的推广有了一个良好的开端但是，SRAP工艺在中国的进一步推广，还应解决SRAP工艺加固工程的科学设计问题，在进一步试验研究的基础上，给出与中国有关设计规范设计可靠度相适应的材料强度指标和设计参数，建立与中国规范相适应的加固设计方法三、SRAP工艺所用材料的强度指标新修订的<公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范>（JTG D62-2004）[以下简称<桥规>（JTGD62）]采用可靠度设计法，用于结构的极限状态设计又称为概率极限状态设计法。

与其相对应的材料强度指标分为强度标准值和强度设计值两种概念强度标准值取其概率分布的0.05分位值确定，其保证率为95%；强度设计值由材料的标准值除以材料分项系数确定SRAP工艺所用的镀锌软钢丝和AP树脂砂浆的强度指标应在对试验资料统计分析的基础，按中国有关规范的可靠指标确定在当前试验资料不足的情况，采用SRAP工艺进行桥梁加固设计时，镀锌软钢丝和AP树脂砂浆的强度指标，建议暂按下规定采用：镀锌软钢丝： 抗拉强度标准值 fpk =1470Mpa 抗拉强度设计值 fpd =1000Mpa 弹性模量 Ep =1.95×105MpaAP树脂砂浆：抗压强度标准值 fck.AP =26.8Mpa 抗压强度设计值 fcd.AP =18.4Mpa 抗拉强度标准值 ftk.AP =8Mpa 抗拉强度设计值 ftd.AP =5.5Mpa 弹性模量 Ec.AP =3.25×104Mpa四、SRAP工艺加固钢筋混凝土受弯构件正截面承载能力极限状态计算采用SRAP工艺加固的钢筋混凝土受弯构件一般以正截面承载力控制设计，加固构件的正截面承载能力极限状态计算是加固设计的核心内容。

SRAP工艺加固钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算公式，与一般有粘结预应力混凝土构件具有大致相同的表达形式，其主要特点是：（1）桥梁加固应考虑分阶段受力的影响；（2）加固构件承载力一般以原梁受拉钢筋屈服控制设计；（3）对极限状态下后加预应力钢筋的应力不加严格限制，可以小于其抗拉强度设计值1 承载力计算的基本方程式SRAP加固钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算图式如图2所示图2 正截面抗弯承载能力计算图式承载力计算基本方程由力的平衡条件求得：由ΣX=0得 （1）由ΣM=0得 （2）公式适用条件是 （3）式中 ——按<桥规>（JTG D62）计算的弯矩组合设计值；——结构重要性系数；——原梁混凝土的抗压强度设计值；——原梁纵向受拉钢筋的抗拉强度设计值；h01——原梁受拉钢筋合力作用点至截面受压缘的距离，，其中as为原梁受拉钢筋合力作用点至截面受拉边缘的距离；——后加预应力钢筋合力作用点至截面受压边缘的距离，，其中为AP树脂砂浆层厚度，为预应力钢筋合力作用点至加固后截面受拉边缘的距离；h0——后加预应力钢筋和原梁受拉钢筋合力作用点至截面受压边缘的距离，；——原梁受拉钢筋的混凝土受压区高度界限系数，对R235钢筋（I级钢），=0.62；对HRB335钢筋（Ⅱ级钢），=0.56；——极限状态下，后加预应力钢筋的应力。

极限状态下后加预应力钢筋的应力可根据变形条件确定，并应考虑桥梁加固构件分阶段受力的影响，其数值与混凝土受压区高度x和一期荷载作用下原梁的应力状态有关参考文献[3]的推导，后加预应力钢筋的应力可按下式计算：当时，取；当时， （4） （5） （6） （7）式中 ——预应力钢筋的抗拉强度设计值； ——极限状态下，预应力钢筋的应变增量； ——预应力钢筋的弹性模量；——预应力钢筋的有效预应力，，对SRAP工艺，建议取控制应力，只考虑钢筋应力松驰损失，近似取，为预应力筋的抗拉强度标准值——混凝土的极限压应变，对C50及以下混凝土，取； ——混凝土受压区矩形应力图高度系数，对C50及以下混凝土，取——系数，；——一期荷载作用下，原梁受拉钢筋的应变；——一期荷载作用下，原梁受压翼缘顶面混凝土压应变；——分别为按开裂的钢筋混凝土计算的原梁换算截面重心轴至受压边缘的距离（即混凝土受压区高度）和惯性矩——一期荷载引起的弯矩设计值，，此处为构件自重及恒载引起弯矩标准值2）实用计算方法采用SRAP工艺加固钢筋混凝土受弯构件的承载能力极限状态设计可分为配筋设计和承载力复核两种情况。

1）配筋设计配筋设计的主要内容是根据按加固要求的设计荷载标准计算的弯矩组合设计值，按主要控制截面的正截面抗弯承载力要求，确定预应力钢筋截面面积这时，可首先按，代入公式（2）解二次方程，求得混凝土受压区高度，若，且时，所得x即为所求，将其代入公式（1），求得所需预应力钢筋截面面积Ap若所得，但时，应将的计算表达式（4）和（5）代入公式（2），解三次方程，重新计算，并将其代入公式（4）和（5）求得值然后，将所得和值代入公式（1），求得所需的预应力筋截面面积2）承载力复核对已经初步设计好的截面进行承载力复核的目的是确定加固后的截面所能承受的弯矩设计值，判断结构的安全程度这时，首先取，代入公式（1）求得混凝土受压区高度，若所得，且时，所得即为所求，将其代入公式（2），求得该截面所能承受的弯矩设计值，若，说明该截面的承载力满足要求若所得，但时，应将的计算表达式（4）和（5）代入公式（1），解二次方程，重新计算，并将其代入公式（4）和（5）求得值然后，将所得和值入公式（2），求得该截面所能承受的弯矩设计值，若，说明该截面的承载力满足要求五、SRAP工艺加固钢筋混凝土受弯构件使用荷载作用阶段的应力验算的基本原理<桥规>JTG D62沿用过去的设计习惯，对预应力混凝土受弯构件，除进行承载力计算外还需要进行使用荷载作用下的应力验算，并控制其力于规范规定的允许值。

桥梁加固受弯构件使用荷载作用阶段的应力验算，应考虑分阶段受力特点采用SRAP工艺对钢筋混凝土受弯构件（板、梁）正截面进行加固补强，是在被加固梁体的外部施加预应力在一期荷载效应（构件自重和恒载效应）和预加力作用下，具有体外预应力混凝土梁的工作性质喷注AP树脂砂浆保护层后，将体外预应力筋与被加固梁体连为整体在二期荷载效应（活载效应）作用下，预应力筋与被加固混凝土梁体共同工作，具有一般有粘结预应力混凝土梁的工作性质1、一期荷载效应（构件自重和恒载效应）作用下的应力计算桥梁加固一般采用带载加固，一期荷载由原梁承担，在一期荷载作用下，原梁受拉区已经开裂，但构件仍处于弹性工作阶段一期荷载效应引起的截面应力，可采用开裂的钢筋混凝土换算截面几何性质，按材料力学公式计算2、预加力和一期荷载效应（活载效应）作用下的应力计算预加力和一期荷载效应伤脑筋征应力计算图式与所加所预回大大小有关1）若原梁的配筋率较低，所加预加力较大，全截面参加工作预加力引起的截面应力，可采用按原梁全截面参加工作的换算截面几何性质（），按材料力学公式计算二期荷载效应（活载效应）引起的截面应力，可采用按加固后的梁全截面参加工作的换。