具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构及设置方法与流程

本发明涉及桥梁施工与维修加固技术领域，具体涉及具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构及预防护结构的设置方法。

背景技术：

在桥梁工程中，预应力精轧螺纹粗钢筋普遍应用于预应力混凝土结构中，如斜拉桥索塔的斜拉索锚固区、预应力混凝土箱梁腹板等结构部位。此类型桥梁结构在投入运营后，精轧螺纹钢筋意外脆断和崩出的病害和现象时有发生，且脆断发生的时间无法预计。

为了给混凝土结构施加预应力效应，精轧螺纹粗钢筋需要在施工时预先施加高水平的工作预拉应力，初始张力较大，正常工作状态时具有很大的弹性势能。预应力粗钢筋的脆断在施工过程中较少发生，往往发生在桥梁建成后的一段时期内，随着预应力粗钢筋的材料腐蚀、缺陷发展或结构受力、变形等不利因素的相互叠加，出现滞后的突发性延时脆断。预应力粗钢筋一旦脆断，巨大的弹性势能瞬间转化为动能，断裂后的钢筋将封锚混凝土撞碎，断裂的粗钢筋、破碎的混凝土从几十米甚至上百米高的混凝土结构中弹射掉落下来，对桥面上通行的列车、车辆、行人、桥下过往船只等构成严重安全威胁和风险，容易造成严重的财产损失或人员伤亡事故，负面影响巨大。

与钢绞线预应力钢筋或普通钢筋相比，预应力精轧螺纹粗钢筋容易发生脆断的原因较为复杂，主要原因有：

(1)预应力粗钢筋在加工成型过程中存在微观初始缺陷，金属金相组织异常(珠光体含量较多)、轧制过程中形成的内部微观缺陷、金属中含有夹杂物等；

(2)预应力粗钢筋屈强比为0.9左右，材料的屈强比过高、延性较低，在高应力状态下容易造成脆性断裂；

(3)预应力粗钢筋的设计工作应力水平较高，预留安全余度较小。高强预应力粗钢筋的屈服强度的设计标准值为930MPa，一般情况下设计张拉控制应力与屈服强度标准值的比例高达0.85～0.90，预留的强度较小；

(4)施工过程中，在运输、张拉、灌装等环节施工质量不良，导致预应力粗钢筋受到碰撞受损、超张拉、应力腐蚀等；

(5)预应力粗钢筋为脆性材料，设计状态下应处于受拉状态。桥梁结构在实际工作过程受力变形，可能导致内部的预应力精轧螺纹粗钢筋处于受弯或受剪等不利受力状态。

因此，预应力精轧螺纹粗钢筋脆断主要与原材料制造工艺、使用条件和施工质量等因素有关，原因复杂，在当前的技术条件下，脆断的风险难以彻底避免。

由于预应力粗钢筋的脆断的原因较为复杂，实际桥梁工程中的该类事件时有发生，而且发生的时间和数量往往无法控制和预料，随着桥梁建成投入运营，给桥梁交通安全留下安全隐患，也给管养单位带来巨大的安全防护压力。

一些采用此类预应力混凝土结构的桥梁，在桥面上方搭设了与桥面平行的支架和安全防护网，用于遮挡桥塔高空上方脆断后弹射和掉落下来的预应力粗钢筋、破碎的混凝土，避免伤及交通车辆和行人。这是一种较为被动的防护措施，造价成本较高，对桥梁外观改变大，给过往人员造成了较强的压抑感，造成不良社会影响。

目前，国内尚无对此类预应力混凝土结构中的预应力粗钢筋脆断的主动预防护措施进行过试验研究，也没有相关公开的技术资料或文献资料，基本处于空白状态。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构，通过“柔性防护板加纤维布”方式进行复合防护，能够对预应力粗钢筋脆断后的巨大冲击进行有效消能，使脆断的预应力粗钢筋不刺破预防护结构，从而避免预应力粗钢筋和破碎的混凝土弹射出预应力混凝土结构、导致人员伤亡或财产损失的安全事故。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构，其包括:

预应力混凝土结构，所述预应力混凝土结构内设有预应力粗钢筋，所述预应力粗钢筋两端通过锚头固定于所述预应力混凝土结构内；

预防护结构，所述预防护结构固定连接于所述锚头处的所述预应力混凝土结构外表面；所述预防护结构包括朝远离所述预应力混凝土结构外表面方向依次设置的柔性防护板和纤维布。

进一步地，所述柔性防护板采用玻璃纤维板、芳纶纤维板或铝合金板。

进一步地，所述柔性防护板厚度为2mm～3mm。

进一步地，所述纤维布采用玻璃纤维布或芳纶纤维布。

进一步地，所述纤维布表面涂设有防护涂层。

本发明还提供了桥梁预应力混凝土结构设置预防护结构的方法，所述预应力混凝土结构内设有预应力粗钢筋，所述预应力粗钢筋两端通过锚头固定于所述预应力混凝土结构内；所述预防护结构固定连接于所述锚头处的所述预应力混凝土结构外表面；所述预防护结构包括朝远离所述预应力混凝土结构外表面方向依次设置的柔性防护板和纤维布；

其包括如下步骤：

S1：打磨、清洗所述锚头处的所述预应力混凝土结构外表面并保持干燥；

S2：在所述锚头处的所述预应力混凝土结构外表面涂覆结构胶，并在所述结构胶处粘贴所述柔性防护板；

S3：在所述柔性防护板表面粘贴所述纤维布，所述纤维布边缘粘贴于所述预应力混凝土结构外表面。

进一步地，步骤S3中，粘贴所述纤维布之前，还包括将所述纤维布浸渍于胶黏剂中的步骤。

进一步地，还包括步骤S4：在所述纤维布表面涂覆防护涂层。

进一步地，所述柔性防护板所覆盖的所述锚头中，与所述柔性防护板边缘距离最近的所述锚头的中心轴与所述柔性防护板边缘距离不小于0.3m。

进一步地，所述纤维布的边缘超出所述柔性防护板边缘的距离不小于0.5m。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)防护效果较好。本发明在混凝土结构表面粘贴的柔性防护板和纤维布组成复合防护材料，对预应力粗钢筋的脆断冲击进行预防护。经过试验充分验证表明，预应力粗钢筋脆断后，仅对复合防护材料与混凝土之间的粘接面造成局部脱空，预应力粗钢筋没有击穿复合防护材料，防护效果较好。通过“柔性防护板加纤维布”方式进行复合防护，能够对预应力粗钢筋脆断后的巨大冲击进行有效消能，使脆断的预应力粗钢筋不刺破防护材料，从而避免预应力粗钢筋和破碎的混凝土弹射出砼结构、导致人员伤亡或财产损失的安全事故。

(2)与桥梁工程常用的碳纤维材料相比，玻璃纤维和芳纶纤维材料的延性较好、抗动力冲击效果更优。碳纤维材料在浸渍粘贴胶后，脆性较强，经试验验证表面，同等厚度的碳纤布或碳纤维板防护效果较差，无法抵御预应力粗钢筋的巨大冲击力。本发明柔性防护板的容重低、重量轻，耐久性好、耐腐蚀和耐老化性能良好。芳纶纤维的密度仅为钢材1/5，玻璃纤维、铝合金的密度仅为与钢材的1/3，本发明柔性防护板所采用的材料，其密度小、重量较轻，能尽量减少给桥梁结构增加额外荷载，便于在结构表面粘贴和固定。与钢材相比，芳纶纤维、玻璃纤维和铝合金的耐酸碱腐蚀性能较好；且本发明的预防护结构最表层设有防护涂层，对紫外线的耐老化性能较好，使用寿命长。在桥梁长期运营过程中，本发明可以免于防护维护。

(3)便于施工。与钢板相比，本发明柔性防护板采用的芳纶纤维板、玻璃纤维板、铝合金板的重量轻、面外刚度小，可以根据结构表面尺寸进行裁剪或加工，可以很好适应、贴合混凝土结构表面的形状，便于施工。与钢板相比，柔性防护板与混凝土之间的粘接较牢固；而钢板表面光滑、与混凝土之间的粘接效果较差、且重量较大。如果采用钢板作为防护材料，钢板与混凝土之间用胶黏剂粘贴力较差、粘结可靠性较低，需要像常规桥梁加固工程的工艺一样——采用植筋或锚栓+灌胶的形式，对其钢板进行锚固。而植筋或锚栓需要在混凝土结构钻孔，会对混凝土结构造成损伤，也很有可能伤及内部预应力粗钢筋，对结构造成附加损伤。

(4)对原结构的外观改变较小。本发明采用的芳纶纤维板、玻璃纤维板、铝合金板最薄厚度仅需要2mm～3mm，即可满足防护要求，整个预防护结构的总厚度在5mm～6mm左右，且柔性防护板能够很好贴合混凝土结构表面，对既有结构的构造外观改变很小；色彩外观可以通过表面防护涂层进行调节，使其与既有结构整体色调相适应。因此，本发明的预防护结构对桥梁混凝土结构外观改变较小。如果采用钢板进行防护，从防护效果和耐腐蚀等角度考虑，钢板采用厚度需要在6mm以上，且其锚固所用的锚栓或植筋的螺母和垫圈的厚度约为会在钢板表面突出10mm以上，给结构表观造成凹凸不平的构造；钢板防护体系的总厚度在16mm以上，对待防护的原结构的构造外观改变较为明显。

(5)经济性好，综合成本低。本发明的防护材料为桥梁工程加固领域的常用材料。其中玻璃纤维布(E型无碱)的原材料价格较低，市场价位为碳纤维布的1/10；同等厚度的铝合金板材与玻璃纤维板材单价接近；芳纶纤维板的单价略贵，但是由于芳纶材料的抗冲击强度和韧性最高，其实现同等防护效果所需的材料用量也最低。与桥梁加固工程的常用粘贴钢板的工艺相比，本发明的“柔性防护板+纤维布”的柔性复合防护结构的施工工艺较为简单，综合造价更低。

结合实际工程需要，本发明经过了多轮次的试验验证，试验结果表明：本发明的预防护结构的防护效果较好、性价比最优、对桥梁混凝土结构外观改变较小、施工简便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构的横断面结构示意图；

图2为图1中A处局部示意图；

图3为本发明实施例提供的具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构的平面示意图。

图中：1、预应力混凝土结构；10、预应力粗钢筋；11、锚头；2、预防护结构；20、柔性防护板；21、纤维布。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图3所示，本发明实施例提供的具有预防护结构的桥梁预应力混凝土结构，其包括预应力混凝土结构1和预防护结构2；预应力混凝土结构1内设有预应力粗钢筋10，预应力粗钢筋10两端通过锚头11固定于预应力混凝土结构1内；预防护结构2固定连接于锚头11处的预应力混凝土结构1外表面；预防护结构2包括朝远离预应力混凝土结构1外表面方向依次设置的柔性防护板20和纤维布21。

根据实际施工需要，柔性防护板20和纤维布21可以设置多层，整个预防护结构2的总厚度可以控制在5mm～6mm左右，且柔性防护板20能够很好贴合预应力混凝土结构1外表面，对既有结构的构造外观改变很小。

柔性防护板20的作用在于：利用自身的冲击韧性、强度、以及与预应力混凝土结构1之间的粘结力形成第一道防线，消耗和吸收预应力粗钢筋10脆断后产生的巨大冲击能量，并且防止粘贴在柔性防护板20表面的外层纤维布21被预应力粗钢筋10弹射刺穿；柔性防护板20采用玻璃纤维板、芳纶纤维板或铝合金板；其厚度为2nm～3mm。

纤维布21的作用在于：将柔性防护板20与预应力混凝土结构1包裹严实，利用纤维布21自身的冲击韧性、强度、以及与预应力混凝土结构1之间的粘结力形成第二道防线，第二次消耗吸收预应力粗钢筋10剩余的冲击能量。当柔性防护板20被预应力粗钢筋10撞击、与预应力混凝土结构1之间粘结面撕开脱空后，纤维布21将脱空的柔性防护板20兜住，并吸收预应力粗钢筋10的剩余冲击能量，与柔性防护板20一起将钢筋弹射位移限制在6cm以内，防止预应力粗钢筋10从预应力混凝土结构1中弹射而出，也避免被预应力粗钢筋10撞击破碎的钢筋封锚混凝土从高空掉落。纤维布21采用玻璃纤维布或芳纶纤维布，

在纤维布21表面还可以涂设防护涂层，防护涂层的作用在于：对纤维布21、柔性防护板20等防护材料进行耐紫外线和耐老化防护，能有效延长防护材料的正常工作寿命。防护涂层可以采用油漆等材料。

参见图3所示，施工时，柔性防护板20至少覆盖一个锚头11。保证柔性防护板21覆盖的面积较大，形成的保护区域更大。

本发明还提供了桥梁预应力混凝土结构设置预防护结构的方法，在预应力混凝土结构1内设有预应力粗钢筋10，预应力粗钢筋10两端通过锚头11固定于预应力混凝土结构1内；预防护结构2固定连接于锚头11处的预应力混凝土结构1外表面；预防护结构2包括朝远离预应力混凝土结构1外表面方向依次设置的柔性防护板20和纤维布21；

其包括如下步骤：

S1：打磨、清洗锚头11处的预应力混凝土结构1外表面并保持干燥；

S2：在锚头11处的预应力混凝土结构1外表面涂覆结构胶，并在结构胶处粘贴柔性防护板20；

S3：在柔性防护板20表面粘贴纤维布21，纤维布21边缘粘贴于预应力混凝土结构1外表面。

其中，在步骤S3中，粘贴纤维布21之前，还包括将纤维布21浸渍于胶黏剂中的步骤；

在步骤S3施工完成之后，还包括步骤S4：在纤维布21表面涂覆防护涂层。

步骤S4中，在涂覆防护涂层之前，还包括胶黏剂固化养护处理的步骤；固化时间一般为1至2天，可以自然干燥固化，或者人工加热固化。

结构胶的作用在于：找平待防护的预应力混凝土结构1外表面，将柔性防护板20牢固粘贴在砼预应力混凝土结构1外表面；

胶黏剂的作用在于：将纤维布21牢固粘贴在柔性防护板20和预应力混凝土结构1外表面；纤维布21浸渍在胶黏剂中，可以充分地混合，使得在贴合时更加紧致，不会出现空泡，粘贴时更贴实。

参见图3所示，柔性防护板20所覆盖的锚头11中，与柔性防护板20边缘距离最近的锚头11的中心轴与柔性防护板20边缘距离不小于0.3m。

参见图3所示，纤维布21的边缘超出柔性防护板20边缘的距离不小于0.5m。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。