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SRAP工艺加固设计原理

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。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）
5.091
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
KSF4042
41.8Mpa
中国标准GB18445-2001
≥18.0Mpa
抗折强度（28d）
16.8Mpa
韩国标准
KSF4042
9.2Mpa
中国标准GB18445-2001
≥3.5Mpa
粘结强度（28d）
3.16Mpa
韩国标准
KSF4042
1.2Mpa
中国标准GB18445-2001
≥1.0Mpa
收缩率
0.013%
韩国标准
KSF4042
0.3%
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 =1.95×105Mpa
AP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算截面的几何性质（），按材料力学公式计算。
计算应力叠回后应满足全预应力混凝土或部分预应力混凝土A类构件的应力控制条件，即原梁受拉边缘不得出现拉应力或控制拉应力小于某一允许值。
（2）受原梁配筋率的限制，所加预加力较小时，部分截面参加工作。在预加力和二期荷载效应（活载）作用下的截面应力应按开裂的部分预应力混凝土B类构件计算。部分预应力混凝土B类构件开裂后的截面应力计算方法可参见参考文献[1]、[2]。
六、SRAP加固设计实例

1、原梁的基本情况及加固设计要求
原桥为跨径12m的钢筋混凝土空心板梁桥，全桥由10块宽度为1m的钢筋混凝土空心板组成。设计荷载等级为公路Ⅱ级。
单板跨中截面的内力为：
恒载弯矩标准值 MGK=173.06KN.m
活载弯矩标准值 MQK=251.64KN.m
结构安全等级为三级，结构重要性系数γ0=0.9；
弯矩组合设计值为：
=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级钢）钢筋，fsd=280MPa，ξb.s=0.56。按公路Ⅱ级荷载标准（γ0Md=503.97KN.m）设计的截面尺寸及配筋情况示于图3。

图3：原梁空心板尺寸及配筋 （图中尺寸以mm为单位）

为了计算方便，将空心板截面换算为抗弯等效的I形截面（图4）.

图4：原梁空心梁的等效截面（图中尺寸以mm为单位）
上翼缘厚度 mm
下翼缘厚度

腹板宽度 mm
14φ22（外径为25.1mm），供给的钢筋截面面积As=5321.4mm2，原梁的有效高度mm。
因原路改建为高速公路的需要，设计荷载等级提高为公路一级，结构安全等级提高为二级，结构重要性系数1.0。提高后的弯矩组合设计值为
KN.m。
要求按提高后的荷载标准（γ0Md=667.4 KN.m）进行加固补强设计。
2、加固方法的选择
（1）方案一
采用SRAP工艺加固，在梁的受拉区增设预应力钢筋，钢筋张拉后喷注AP树脂砂浆保护层。
SRAP加固设计应以原梁钢筋屈服为限制条件，即加固后混凝土受压区高度的最大值为 h01=0.56×407.5=228.2mm，将此x值代入公式（2），即可求得加固后的梁所能承受的最大弯矩设计值

式中 h0为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，此处假设h0=407.5+8≈420mm

= 587.45×106N.mm = 587.45KN.m < γ0Md = 667.4 KN.m
计算结果表明，就本例而言，单纯采用在原梁受拉区增设预应力钢筋的办法加固是不可行的。
（2）方案二
对于原梁建筑高度较小，配筋率较大的情况，通常的加固方法是：
（1）采取构造措施，使桥面铺装层参与主梁共同工作，增加梁的有效高度；
（2）在受拉区增设预应力钢筋（或粘贴钢板或其他高强复合纤维）。
现场调查发现，原桥桥面铺层破损严重，需全部拆除重修。为了加强桥面铺装层与原桥粘结，增设抗剪连接件（栓钉），在桥面铺层中设置双层钢筋网，以保证桥面铺层参与主梁共同工作。本桥新建桥面铺装层为100mm C30防水混凝土，偏于安全地取50mm参与主梁工作。

这样，梁的有关计算参数为h01=407.5+50=457.5mm，假设h0=420+50=470mm。h'f = 95 + 50=145mm，b'f =1000mm，b=456mm。As=5321.4mm2。
按考虑50mm桥面铺装层参与主梁工作的加固方案，加固后所参承受的最大弯矩组合设计值为：

= 819.93×106N.mm = 819.93KN.m > γ0Md = 667.4KN.m
计算结果表明，方案二是可行的。
3、加固方案的设计与计算
设计组合弯矩γ0Md = 667.4KN.m，
原梁按考虑50mm桥面铺装层参与工作的计算参数取用，后加预应力钢筋采用φ6.3镀锌软钢丝，fpd = 1000MPa，fpk = 1470MPa，ξb.p=0.4。AP树脂砂装层厚度50mm，预应力筋合力作用点至截面受压边缘的距离h02 = mm
（1）预应力钢筋数量确定
首先，由公式（2）计算混凝土受压区高度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
将所得x值代入公式（1）求得所需预应力钢筋截面积

Ap =190.9 mm2
选择φ6.3镀锌软钢丝，单根截面面积Ap1=18.6mm2，选12φ6.2，供给钢筋截面面积Ap=12×18.6=223.2mm2，钢筋间距S=83.3mm，张拉控制应力MPa，单根钢丝束张拉力Ncon=16,450.2N=16.4KN。
（2）承载力校核
按最后选定的预应力钢筋截面和布置方案，重新计算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

mm
由公式（1）计算混凝土受压区高度

mm > h'f = 145mm
<mm
<mm
故取MPa
由公式（2）求得该截面所能承受的弯矩设计值

= 671.12×106 N.mm = 671.12 KN.m > γ0Md = 667.1KN.m
计算结果表明，加固后承载力满足要求。