本發(fā)明屬于橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于鋁合金的混凝土墩/柱加固裝置及其施工方法。

背景技術(shù)：

混凝土以其優(yōu)越的承壓、防火、豐富的材料來(lái)源以及經(jīng)濟(jì)的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的建筑材料,但在實(shí)際工程中,常常因?yàn)樵O(shè)計(jì)不周、施工質(zhì)量差、施工現(xiàn)場(chǎng)管理不善等原因,導(dǎo)致鋼筋混土墩/柱承載力不足,引起承載力不足的原因還有火災(zāi)使鋼筋混凝土柱的混凝土及鋼筋強(qiáng)度降低,或者由于改變結(jié)構(gòu)的使用功能而使柱承受的荷載增加等等。當(dāng)出現(xiàn)這些情況時(shí),需對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固。鋼筋混凝土墩/柱的加固方式有很多,而常用的傳統(tǒng)加固方式有外包混凝土加固法和外包鋼管加固法。

外包混凝土加固法，在墩、柱周圍澆筑一定厚度的混凝土，將墩、柱包裹起來(lái)，形成整體受力，存在缺點(diǎn)或問(wèn)題：對(duì)墩、柱的承載能力提高有限；不能充分發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢(shì)；外包混凝土存在耐久性問(wèn)題，尤其是沿海地區(qū)；新舊混凝土的連接難以保證；加固后，不方便墩、柱使用壽命周期內(nèi)的二次維護(hù)。

外包鋼管加固法，在墩、柱周圍澆筑一定厚度的混凝土，并在混凝土外邊外包鋼管，形成整體進(jìn)行受力，存在缺點(diǎn)或問(wèn)題：外包鋼管存在耐久性問(wèn)題，后期需要較多的費(fèi)用進(jìn)行防腐維護(hù)，尤其是沿海地區(qū)；加固后，不方便墩、柱使用壽命周期內(nèi)的二次維護(hù)；結(jié)構(gòu)形式單一，承載力提高有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)形式多樣化，具有良好的抗腐蝕性和耐久性，輕質(zhì)高強(qiáng)，重量輕，便于制作、加工、運(yùn)輸和安裝，施工簡(jiǎn)單，成本低的基于鋁合金的混凝土墩/柱加固裝置及其施工方法。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題：

一種基于鋁合金的混凝土墩/柱加固裝置，所述加固裝置為四塊異形中空鋁合金板圍成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，套在所述混凝土墩/柱外，相鄰兩塊異形中空鋁合金板之間焊接或螺栓連接；矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與所述混凝土墩/柱外壁之間灌注結(jié)構(gòu)膠，矩形結(jié)構(gòu)與所述混凝土墩/柱通過(guò)螺栓緊固。

所述異形中空鋁合金板，其截面形狀為異形，異形中空鋁合金板中充填混凝土。

所述的一種基于鋁合金的混凝土墩/柱加固裝置的施工方法，步驟如下：

①混凝土墩/柱加固區(qū)表面處理：

鑿除混凝土墩/柱加固區(qū)的表層砂漿，形成平整的粗糙面并清理干凈，再用甲苯或工業(yè)丙酮擦拭加固區(qū)表面；

②鉆孔：在混凝土墩/柱上鉆孔并植埋螺栓；

③安裝加固裝置：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求加工所述異形中空鋁合金板，將異形中空鋁合金板的粘貼面進(jìn)行除銹和粗糙處理并清理干凈；在異形中空鋁合金板上配套打孔后安裝到步驟②混凝土墩/柱植埋的螺栓上；安裝四塊上述異形中空鋁合金板將所述混凝土墩/柱包圍起來(lái)后，四塊異形中空鋁合金板之間焊接或用螺栓連接起來(lái)；異形中空鋁合金板的粘貼面與混凝土墩/柱外表面之間留有1～3mm的間隙；

④封邊：在步驟③安裝好的加固裝置上鉆注膠孔；在加固裝置的鋁合金板頂緣插入排氣管，用封閉膠封閉加固裝置的鋁合金板四周邊緣；

⑤配制結(jié)構(gòu)膠；

⑥灌注結(jié)構(gòu)膠：將步驟⑤配制好的結(jié)構(gòu)膠通過(guò)步驟④的注膠孔灌注到異形中空鋁合金板的粘貼面與混凝土墩/柱外表面之間的間隙中，直至排氣管有膠液流出；

⑦灌注混凝土

對(duì)采用異形中空鋁合金板的加固裝置并需要灌注混凝土的，將混凝土從下而上灌注進(jìn)加固裝置的異形中空鋁合金板中，保證無(wú)空隙、無(wú)空洞。

所述步驟①中鑿除混凝土墩/柱加固區(qū)2～5mm厚的表層砂漿。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明采用異形中空鋁合金板組成混凝土墩/柱的加固裝置，使混凝土墩/柱截面形狀多樣化，能實(shí)現(xiàn)不同的加固效果；

(2)本發(fā)明加固裝置采用鋁合金板，具有良好的抗腐蝕性和耐久性，尤其適合沿海地區(qū)的混凝土墩、柱等，可以節(jié)約大量的后期防腐維護(hù)費(fèi)用；

(3)本發(fā)明采用異形中空鋁合金板組成混凝土墩/柱的加固裝置，鋁合金中充填混凝土，二者相互結(jié)合，能夠各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；

(4)本發(fā)明加固裝置采用鋁合金板，密度為鋼材密度的1/3，輕質(zhì)高強(qiáng)，重量輕，便于制作、加工、運(yùn)輸和安裝。

附圖說(shuō)明

圖1至圖5是本發(fā)明不同截面形狀的加固裝置安裝到混凝土橋墩上的截面示意圖，圖中，

1：加固裝置；2、螺栓；3：混凝土橋墩；4：混凝土。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明權(quán)

利要求保護(hù)范圍的限制。

實(shí)施例1：

如圖1所示，一種基于鋁合金的混凝土橋墩加固裝置，為四塊異形中空鋁合金板圍成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，套在所述混凝土墩3外，相鄰兩塊異形中空鋁合金板之間焊接或螺栓連接；矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)壁與所述混凝土墩3外壁之間灌注結(jié)構(gòu)膠，矩形結(jié)構(gòu)與所述混凝土墩3通過(guò)螺栓2緊固。

如圖1至圖5所示，異形中空鋁合金板的截面形狀為不同的異形，以實(shí)現(xiàn)不同的加固混凝土橋墩的結(jié)構(gòu)形式，獲得不同的加固效果。

施工方法如下：

①混凝土表面處理

在需加固混凝土橋墩的表面放出加固位置大樣，鑿除加固區(qū)混凝土表面2～5mm厚的表層砂漿，使混凝土外露，并形成平整的粗糙面，表面不平處應(yīng)用尖鑿輕鑿整平。再用鋼絲輪清除表面浮漿，剔除表層疏松物，最后用壓縮空氣吹凈表面粉塵，并用甲苯或工業(yè)丙酮擦拭加固區(qū)表面。對(duì)較大面積的劣質(zhì)層，剔除后用聚合物水泥砂漿修復(fù)平整，加固前用丙酮擦洗干凈。

②鉆孔

準(zhǔn)備：檢查混凝土橋墩表面是否完好，用鋼筋探儀探測(cè)查明鋼筋分布，核對(duì)標(biāo)記錨栓部位；

鉆孔：在根據(jù)螺栓直徑按照技術(shù)參數(shù)表中資料要求，根據(jù)直徑對(duì)應(yīng)深度在混凝土橋墩上打孔，檢查孔徑及孔深滿足設(shè)計(jì)要求；

清孔：利用壓縮空氣清孔，用毛刷刷三遍，吹三遍，確保孔壁無(wú)塵。必要時(shí)可用干凈棉布沾少量丙酮或酒精擦凈孔壁。

確認(rèn)錨固包無(wú)外觀破損、藥劑凝固等異?，F(xiàn)象，將其放入孔并推至孔底。

使用電錘或電鉆及專用安裝夾具，將螺栓強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)插入直至孔底，以達(dá)到擊碎玻璃管并強(qiáng)力混合錨固藥劑的目的。電錘或電鉆的轉(zhuǎn)速應(yīng)調(diào)至慢速檔，且不應(yīng)采用沖擊方式。

當(dāng)旋至孔底或螺栓上標(biāo)志位置時(shí)，立刻停止旋轉(zhuǎn)，取下安裝夾具，凝膠后至完全固化前避免擾動(dòng)。超時(shí)旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致膠液流失，影響錨固力。

外觀檢查固化是否正常。重要部位的螺栓需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)，檢驗(yàn)其錨固力是否滿足設(shè)計(jì)要求，合格后方可進(jìn)行下一道工序的施工。

③安裝加固裝置

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土橋墩的實(shí)際放樣進(jìn)行所述加固裝置的異形中空鋁合金板下料和加工，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)植埋的螺栓，對(duì)所述異形中空鋁合金板進(jìn)行配套打孔，然后將所述異形中空鋁合金板的粘貼面用磨光砂輪機(jī)或鋼絲刷磨機(jī)進(jìn)行除銹和粗糙處理，打磨粗糙度越大越好，打磨紋路應(yīng)與加固裝置受力方向垂直。用脫脂棉沾丙酮將加固裝置表面擦拭干凈。將四塊異形中空鋁合金板分別固定到步驟②植埋的螺栓上將混凝土橋墩包起來(lái)，四塊異形中空鋁合金板之間焊接，保證異形中空鋁合金板的粘貼面與混凝土橋墩外表面的間隙為1～3mm，以確保灌注膠層的厚度。

④封邊

在加固裝置上鉆注膠孔；將注入座粘結(jié)在加固裝置的注膠孔孔上，在加固裝置的鋁合金板頂緣插入排氣管，排氣管出口應(yīng)高于該灌注段的加固裝置位置；在螺栓頭上涂抹封閉膠并罩上蓋碗，然后用封邊膠封閉加固裝置的鋁合金板邊緣，完成封邊。

⑤結(jié)構(gòu)膠配制

按要求配制結(jié)構(gòu)膠，將結(jié)構(gòu)膠用低速攪拌器，攪拌均勻，在適用期內(nèi)用完。結(jié)構(gòu)膠應(yīng)在封邊完成，且加固裝置封邊膠達(dá)到完全固化有足夠的強(qiáng)度后再進(jìn)行配制和使用。

⑥灌注

用泵將步驟⑤配制好的結(jié)構(gòu)膠從步驟④的注膠孔灌注到異形中空鋁合金板的粘貼面與混凝土橋墩外表面的間隙中，直到所有排氣管均有膠液流出。在灌注過(guò)程中，用橡皮錘敲打異形中空鋁合金板以確認(rèn)是否灌注密實(shí)。要求灌漿之前先通氣試壓，以0.2～0.4MPa的壓力將結(jié)構(gòu)膠從注入座壓入，當(dāng)排氣管出現(xiàn)漿液后停止加壓，以封邊膠堵孔，再以較低壓力維持10分鐘以上，直至漿液從最上方注膠孔或排氣管流出。

⑦灌注混凝土

如圖3至圖5所示，對(duì)需要灌注混凝土的加固裝置灌注混凝土，混凝土的灌注采用從下而上的方法，保證無(wú)空隙，無(wú)空洞。

加固效果：

1、對(duì)如圖4所示的加固裝置進(jìn)行受力分析，采用10m高雙孔薄壁墩小算例進(jìn)行加固效果評(píng)估，利用ANSYS有限元軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型。

(1)材料特性

原橋墩結(jié)構(gòu)混凝土采用C30，密度2500kg/m³，泊松比0.3，彈性模量30GPa；

鋁合金內(nèi)灌注混凝土采用C50，密度2500kg/m³，泊松比0.3，彈性模量34.5GPa；

鋁合金為6061-T6，厚度為1cm，密度2710kg/m³，泊松比0.3，彈性模量72GPa。

(2)約束方式

橋墩底部采用固定端的形式進(jìn)行約束。

(3)荷載

結(jié)構(gòu)自重，重力加速度9.8m/s²；

橋墩所受豎向荷載為1000KN。

(4)模型截面形狀：如圖4所示。

2計(jì)算結(jié)果

加固前后自振特性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可以看出，加固后T梁的自振頻率得到了不同程度的提高，即墩柱的剛度得到了提高。

表1 加固前后自振特性計(jì)算結(jié)果對(duì)比

加固前后撓度對(duì)比：

由于墩柱的主要作用是承受豎向荷載，在自重荷載和1000KN豎向荷載共同作用下，進(jìn)行靜力分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加固前后撓度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

加固前后應(yīng)力對(duì)比：

由于墩柱的主要作用是承受豎向荷載，在自重荷載和1000KN豎向荷載共同作用下，進(jìn)行靜力分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 加固前后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比