CN101230562A - 一种预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法，采用安装在箱梁内的空间钢桁架作为体外预应力束的锚固和转向构造，体外预应力束在优化计算结果的基础上考虑结构损伤情况进行布置，采用通长束与支点顶板短束相结合的布束方式，顶板短束可以根据腹板开裂情况下弯至钢桁架下弦锚固以提供腹板预剪力，钢桁架根据体外预应力束的转向和锚固需要进行布置，在箱梁内紧靠腹板侧各布置一榀桁架，每个节间设置横向联结系，以提供体外预应力束的转向和锚固构造，同时增强了混凝土箱梁腹板刚度与抗剪承载力，钢桁架与箱梁采用植筋方式连成整体，体外预应力束的用量和布置更加灵活，针对性更强，体外预应力束布置效率高。

Description

一种预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法

技术领域

本发明涉及一种预应力混凝土梁桥常见病害的加固方法，尤其适用于箱形截面的大跨度预应力混凝土梁、刚构和T构桥等常见病害的体外预应力加固，属于桥梁等固定构筑物的加固领域，具体地说是涉及一种针对预应力混凝土箱形截面桥跨中下挠、腹板开裂等病害的体外预应力加固方法。

技术背景

由于预应力混凝土箱梁桥具有跨径适应范围广、施工状态与运营状态受力接近、体系刚度大、行车平稳、后期维护工作量小等优点而受到世界桥梁工程界的青睐，从20世纪60年代以来在世界各国得到了广泛应用，最大跨度已达330m。然而在这一桥型发展的同时，由于恒载下高水平压应力造成的长期收缩徐变影响、结构的施工质量参差不齐、预应力有效应力损失、汽车荷载的超载作用、局部温度应力作用以及高应力状态下的混凝土疲劳等等原因，导致国内外有关预应力混凝土连续箱梁桥的跨中下挠、腹板开裂等病害案例相当普遍；大跨径预应力混凝土连续箱梁桥跨中的下挠和腹板的开裂二者是伴生的，一旦发生，则互为因果，形成恶性循环，导致了桥梁线形不顺畅影响行车、甚至存在坍塌的事故隐患成为危桥。而对这些类似桥梁病害进行有针对性的加固，能够延长桥梁结构的服役寿命，产生直接的社会经济效益。

与简支梁桥的体外预应力加固有比较成熟的加固计算及应用不同，连续梁等复杂桥梁结构的体外预应力加固方法尚不成熟。在现有体外预应力加固技术中与本发明最为相近的做法为在箱梁内部浇筑混凝土横隔板和齿板提供体外预应力束锚固和转向加固方法，如广东南海金沙大桥、三门峡黄河公路大桥等工程的加固方法，是在箱梁内部浇筑混凝土齿板，体外预应力束在齿板上锚固并张拉，而齿板受力全部通过剪力槽植筋传递给箱梁底板或顶板，体外预应力束的转向通过在箱梁内部浇筑强大的混凝土横隔板实现，横隔板在体外预应力束需要转向处设置，通过植筋方式与箱梁顶板、底板和腹板连接。这种方法的缺陷在于：1.由于收缩徐变的不一致使得新旧混凝土共同工作效果不理想；2.为了满足局部锚固和转向应力的要求，锚固齿板和转向横隔板要相对强大，而箱梁内部操作空间有限，大量的混凝土浇筑的施工难度大，增加了对原结构的负担，且加固施工周期长、工程量大、需要中断桥面交通；3.目前的配束方式将墩顶负弯矩、跨中正弯矩以及1/4跨腹板抗剪这三者等同对待，而跨中截面的截面特性最小，正弯矩相对于墩顶负弯矩小很多，剪力基本为零，其体外束用量受跨中截面压应力控制，远不能达到平衡墩顶负弯矩的要求；4.由于锚固和转向构造局部应力和原结构混凝土强度等因素的限制使得体外束的用量也受限。以上因素使得体外束达不到理想的加固效果，国内多座桥梁因此而不得不采取限载措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对预应力混凝土箱梁桥常见病害的体外预应力加固方法，通过解析法对体外预应力束的布置进行优化，采用安装在箱梁内的空间钢桁架作为体外预应力束的锚固和转向构造。体外预应力束在优化计算结果的基础上考虑结构损伤情况进行布置，采用通长束与支点顶板短束相结合的布束方式，顶板短束可以根据腹板开裂情况下弯至钢桁架下弦锚固以提供腹板预剪力；钢桁架根据体外预应力束的转向和锚固需要进行布置，钢桁架杆件采用型钢制作，在箱梁内紧靠腹板侧各布置一榀桁架，每个节间设置横向联结系，以提供体外预应力束的转向和锚固构造，同时增强了混凝土箱梁腹板刚度与抗剪承载力；钢桁架与箱梁采用植筋方式连成整体。由于采用钢桁架作为体外预应力束的锚固和转向构造，使得体外预应力束的用量和布置更加灵活，针对性更强，体外预应力束布置效率高。

本发明的技术方案是这样实现的：

所述的体外预应力加固技术，根据影响线理论对体外预应力束进行优化布置。由于体外预应力束只在锚固点和转向点与原结构发生联系，因此可以采用节点力的方式来分析体外预应力束对原结构的作用。体外预应力束布置的变化可以通过节点力在结构上的不同作用位置来模拟，采用结构的影响线数值就可以得出节点力对结构的作用效应，找出最大的作用效应对应的体外束布置即为最优布置。优化结果表明：1.支点顶板束的布置存在一个最优值；2.中跨底板束的布置存在一个最优值；3.边跨底板束对主跨跨中不利；4.腹板束对跨中挠度贡献不大，但对其覆盖范围内的腹板抗剪有利；5.全联通长束的布置存在一个最优值。因此，体外预应力束的布置要有针对性，顶板束、底板束要尽量远离主梁形心以取得最大的作用力臂来提高效率，而腹板束则要在腹板开裂区域提供足够的预剪力。

所述的体外预应力加固技术，采用钢桁架作为体外预应力束锚固和转向构造。钢桁架可充分利用钢结构的高强材料特性，局部锚固应力容易处理，降低箱内施工难度；钢桁架的设置为体外预应力束的灵活布置提供了便利，使得体外预应力束的布置可以更多的考虑结构损伤情况而不必受制于局部构造的处理；因钢桁架重量轻，且通常仅需布置仅在腹板开裂范围，对原结构的副作用小；在纵向桁架之间设置横向联结系，加强桁架的整体性，为体外预应力束的锚固提供空间。钢桁架可采用小节间距以增加与箱梁的连接面，保证体外预应力的可靠传递。

所述的体外预应力加固技术，可根据上述优化布束的分析结果，采用通长束和支点顶板短束相结合的布束方式。通长束可以看成是顶板短束、腹板短束和底板短束的组合，通过最优转向点转向能取得最佳的加固效果；另外，通长束在梁体内引入了压应力储备，为短束的布置提供了条件，而较长的短束又为较短的短束提供了压应力储备。为平衡墩顶负弯矩，需要采用顶板短束，顶板短束应布置在通长束的上转向点以内，从而利用通长束的压应力储备平衡锚后拉应力，顶板短束可以在顶板锚固，也可以在腹板开裂处结合腹板加固的需要下弯至底板，在桁架下弦锚固。通长束和顶板短束可分散锚固和转向，即依次在纵向不同的桁架节点上锚固和转向，便于钢桁架和箱梁连接构造处理。采用“小束多根”的布束方式，有利于消除锚后拉应力，且这种分散布置体外预应力束形成的弯矩符合支点负弯矩包络图逐渐变化的形状，也能更好的覆盖需要加固的腹板开裂区域，更有利于腹板的加固。

本发明的优点：

1.可采用影响线理论对各种体外预应力束布置形式进行解析优化，综合考虑优化结果和结构损伤情况布置体外预应力束，体外预应力束的效率高且布置灵活。

2.采用与箱梁连接的钢桁架作为体外预应力束的锚固和转向构造，使得体外预应力束能根据结构计算的需要锚固和转向，通过使用高强材料且通常仅需布置在腹板开裂范围内，大大减轻了对原结构的副作用，同时增强了混凝土箱梁腹板刚度与抗剪承载力。

3.采用通长束与顶板短束相结合的布置方式进行有针对性的加固，可以根据结构的损伤情况布置体外预应力束，加固用量不受局部构造的限制。

4.全部加固施工均在箱梁内部进行，无需开凿顶板灌注混凝土，可以不中断交通，或进行部分暂时的交通管制，造成的经济损失少，社会影响小。

附图说明

图1是本发明实施例纵桥向总布置示意图；

图2是本发明实施例中钢桁架构造纵桥向布置示意图；

图3是本发明实施例中体外预应力束纵桥向布置示意图；

图4是本发明实施例中体外预应力束通长束放大示意图；

图5是本发明实施例中体外预应力束顶板短束放大示意图；

图6是图1体外预应力束在钢桁架A上的锚固和转向布置放大示意图；

图7是本发明实施例中的支点横截面示意图；

图8是本发明实施例中的主跨跨中横截面示意图；

图9是本发明实施例中钢桁架布置处横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，该实施例为一座跨度为(65.425+126+65.425)m的预应力混凝土连续箱梁桥。

图1是本发明实施例纵桥向总布置示意图。针对本实施例中的具体结构采用平面杆系有限元程序计算出关心截面力学参数的节点力影响线，应用该影响线求出体外预应力通长束和体外预应力顶板短束的最优布置，考虑结构的受力情况确定体外预应力的最终布置形式；图3是本发明实施例中体外预应力束纵桥向布置示意图，图4是本发明实施例中体外预应力束通长束放大示意图，图5是本发明实施例中体外预应力束顶板短束放大示意图。其中的体外预应力通长束的用量根据中跨跨中截面的承载力限制确定，之后，根据支点顶板负弯矩确定的总加固量减去体外预应力通长束的加固量确定体外预应力顶板短束的用量。图2是本发明实施例中钢桁架构造纵桥向布置示意图。根据体外预应力的最优布置形式的转向和锚固需要，考虑结构的腹板损伤情况，确定钢桁架在实施例中原结构箱梁内部纵向布置形式，桁架的节间距根据体外预应力的锚固和转向需要、桁架与混凝土箱梁的连接构造处理的需要、以及箱梁箱室内部施工的方便来设置，在符合以上要求时尽量取小的节间距以分散体外预应力束的作用力。

图6是图1体外预应力束在钢桁架上的锚固和转向布置放大示意图，即体外预应力在钢桁架上的转向和锚固及其在原结构箱梁箱室内部的纵向布置。钢桁架上弦杆3和钢桁架下弦杆4通过钢桁架腹板5连接，通过钢桁架上弦与箱梁顶板连接构造6将钢桁架上弦杆3与箱梁顶板1连接，通过钢桁架下弦与箱梁底板连接构造7将钢桁架下弦杆4与箱梁底板2连接；当通长束顶板部分8是通长束时，它在钢桁架上弦杆3上转向；当通长束顶板部分8是顶板短束时，若体外预应力顶板短束不需要下弯则直接锚固在钢桁架上弦杆3上，若顶板短束需要下弯，则通过钢桁架上弦杆3上进行转向后在钢桁架下弦杆4上锚固，顶板短束腹板部分11弥补了通常束腹板部分10在此处的缺失，提高了腹板的抗剪承载力；通长束在钢桁架上弦杆3和钢桁架下弦杆4上不同的节点分散转向，顶板短束在钢桁架上弦杆3和钢桁架下弦杆4上不同的节点分散锚固和转向，减轻了钢桁架上弦与箱梁顶板连接构造6和钢桁架下弦与箱梁底板连接构造7的处理难度。

图7是本发明实施例中的支点横截面示意图。体外预应力通长束8’和体外预应力顶板短束8”在箱梁中墩横隔板12上穿孔通过，穿孔的位置尽量靠近箱梁顶板1下缘，这样体外预应力通长束8’和体外预应力顶板短束8”能取得最大的作用力臂，提高体外预应力束的效率。

图8是本发明实施例中的主跨跨中横截面示意图。体外预应力通长束9’尽量靠近箱梁底板2上缘，这样体外预应力通长束能取得最大的作用力臂，提高体外束的效率。

图9是本发明实施例中钢桁架布置处横截面示意图，横向桁架13连接两榀纵向桁架14，上整体节点板15连接横向桁架13与箱梁顶板1，上整体节点板15上穿孔以供体外预应力束通过、锚固；下整体节点板16连接横向桁架13与箱梁底板2，下整体节点板16上穿孔以供体外预应力束通过、锚固；上整体节点板15与下整体节点板16在整个箱梁室内横向均与箱梁通过植筋方式连接，接触面积大，可植筋部位多，提供了可靠的纵向桁架14与混凝土箱梁的连接；同时上整体节点板15与下整体节点板16上的穿孔可以用来定位体外预应力束，通过加劲构造处理与局部锚固构造处理还具有为体外预应力束减震、转向和锚固功能。

Claims (2)

1.一种预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法，其特征在于：

采用安装在箱梁内的空间钢桁架作为体外预应力束的锚固和转向构造。钢桁架根据体外预应力束的转向和锚固的需要，沿纵桥向分段布置在体外预应力束需要转向和锚固或者腹板开裂的区域，沿横桥向其上弦弦杆通过上整体节点板与箱梁顶板相连接，其下弦弦杆通过下整体节点板与箱梁底板相连接，上整体节点板与下整体节点板穿孔以定位体外预应力束，通过加劲构造处理与局部锚固构造处理实现体外预应力束减震、转向和锚固功能，在箱梁内紧靠腹板侧各布置一榀纵向桁架，在纵向桁架之间设置横向联结系，加强桁架的整体性，为体外预应力束的锚固提供空间。

采用体外预应力通长束和支点顶板短束相结合的布束方式。体外预应力通长束，其端部锚固于原有箱梁结构的端横隔板上，在箱室内部通过钢桁架的上弦或者下弦进行多次转向，使得它在支点附近布置在顶板下缘、在跨中截面附近布置在底板上缘，这样通长束在梁体内为短束提供了压应力储备，为短束的布置提供了条件，而较长的短束又为较短的短束提供了压应力储备；为平衡墩顶负弯矩，采用体外预应力顶板短束，两端锚固于钢桁架上弦节点，并沿箱梁顶板下缘穿过支点横隔板，顶板短束应布置在通长束的上转向点以内，从而利用通长束的压应力储备平衡锚后拉应力，顶板短束可以直接在桁架上弦锚固，也可以根据腹板抗剪的需要经过桁架上弦转向至桁架下弦锚固。

2.根据权利要求1所述的预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法，其特征在于上整体节点板与下整体节点板在整个箱梁室内横向均与箱梁通过植筋方式连接。

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