CN103382704A - 箱梁或t梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造 - Google Patents
箱梁或t梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造。所公开的加固构造包括底部钢板、顺桥向钢板，横桥向堵头钢板；其中底部钢板、顺桥向钢板和横桥向堵头钢板将桥梁的待加固部位围设形成一腔体，该腔体中穿设有多根预应力筋并浇注有混凝土，且混凝土厚10～15cm；预应力筋的张拉端固定在横桥向堵头钢板上。该加固构造的施工时首先确定待加固部位；清理待加固部位表面、锚栓；然后在待加固部位安装加固部件并围设成腔体中；在腔体中浇注混凝土；最后待混凝土达到设计强度后，张拉预应力并固定。本发明的加固结构具有外表整齐、稳定性高和施工方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁加固技术，具体来说，涉及的是箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固结构及其施工方法。
背景技术
对一些结构复杂（结构承载力储备不足）或大跨度的桥梁，结构特殊部位的应力状态需要加以控制，如结构跨中截面下缘不允许出现拉应力或拉应力不能超限时，往往需要进行预应力加固，常见的预应力加固措施为体外预应力混凝土加固法，该法在梁侧面或底面植入带肋钢筋，植筋上绑扎钢筋网，定位预应力钢筋，浇筑混凝土（或锚固块及转向块），达到设计强度后张拉预应力筋，预应力束布置形式为直线型或折线形。
上述体外预应力混凝土加固法虽可在一定程度上起到预应力加固的作用，但存在以下不足之处：
（1）需在梁侧或梁底新增混凝土厚度一般为20～50cm，桥梁自重增加程度较大，且外观笨重，影响美观；
（2）预应力筋裸露在空气中，需定期采取措施防止预应力筋锈蚀，养护困难，后期养护费用高；
（3）新增预应力筋动力性能较差，需安装减震装置以减小预应力筋与结构的共振效应；
（4）根据结构受力及构造特点需将预应力筋弯起锚固，弯起定位主要靠转向块来实现，转向块及锚固块处应力较为集中；转向块一旦松动或滑移，将产生极大的预应力损失甚至预应力失效；
（5）对原结构的刚度贡献非常有限。
综上，现有的箱梁预应力加固方法存在加固结构厚重、维护不方便、费用高和新增预应力易失效的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种箱梁或T梁的无粘结预应力加固结构，以解决现有的箱梁预应力加固方法存在加固结构厚重、维护不方便和新增预应力易失效的问题。
为此，本发明提供的箱梁或T梁的无粘结预应力加固结构包括：
底部钢板、顺桥向钢板（槽钢），横桥向堵头钢板；
所述底部钢板、顺桥向钢板和横桥向堵头钢板将桥梁的待加固部位围设形成一腔体，该腔体中穿设有多根预应力筋并浇注有混凝土，且混凝土厚10～15cm；
所述预应力筋的张拉端固定在横桥向堵头钢板上。
所述底部钢板由锚栓固定安装在待加固部位，且锚栓穿过底部钢板；所述顺桥向钢板由锚栓固定安装在待加固部位，且锚栓穿过顺桥向钢板。
所述腔体位于待加固部位底部。
所述腔体将待加固部位包覆。
所述锚栓与预应力筋在所述腔体中交替分布。
所述预应力筋的张拉端由锚固系统固定在横桥向堵头钢板上，且固定有预应力筋的横桥向堵头钢板内侧增设有加劲肋板条。
所述预应力筋由固定在底部钢板上的定位钢筋定位。
本发明采用无粘结预应力体系并引入了钢板-混凝土组合加固构造，综合利用了混凝土的抗压和钢板、无粘结预应力筋的抗拉性强的特点，在箱梁或T梁的待加固结构中植入锚栓，锚栓穿透底部钢板固定，底部钢板和待加固结构之间顺桥向槽钢或钢板，横桥向堵头钢板组成封闭箱体，该箱体内设置无粘结预应力钢筋及锚具等，浇筑箱体内混凝土后张拉预应力筋并封锚固定，形成施加了一定预应力的组合加固箱体。
与现有技术相比，本发明的箱梁预应力加固结构具有以下优点：
（1）采用无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，减小了结构的加固厚度，最小加固厚度为10.8cm，且可保持厚度不变，通过增加宽度的方式调整预应力筋的数量，外表整齐美观；
（2）预应力筋位于结构内部省去了预应力筋的定期防腐工序及防止震动问题；预应力损失较小，加之配套的钢板-混凝土更是大幅度增加了结构承载能力及结构刚度，有效地提高了加固效率；
（3）新增预应力筋位于新加固混凝土内部，不存在减振止振问题，无需安装减震装置；
（4）加固体与原结构的结合部位面积较大，植筋均匀，应力相对分散，省去了转向块及锚固块处应力集中的问题，极大降低了预应力突然损失较大甚至失效的风险；
（5）加固体为无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，相对传统体外预应力结构，对原结构刚度的提高有较大的贡献。
（6）采用锚栓紧固外包的钢板，且锚栓的一端植入原结构，另一端穿透外包钢板，外侧螺帽多次拧紧后焊接固定。在施工时，无需用借助其他构件对钢板进行加固，同时可提高新、旧混凝土和外包钢板之间连接的整体性，增强了三者间的抗滑移性，充分利用了外包钢板抗拉性能和新、旧混凝土的抗压性能，提高结构的抗剪和抗弯承载力。
本发明的另一目的在于提供一种上述结构的施工方法，方法包括以下步骤：
（1）根据待加固桥梁的承载能力确定待加固部位；
（2）清理待加固部位表面，在待加固部位植入锚栓；
（3）在待加固部位安装固定预应力筋、底部钢板、顺桥向钢板和横桥向钢板，底部钢板、顺桥向钢板和横桥向钢板组成一腔体，多根预应力筋穿设于该腔体中；
（4）在腔体中浇注混凝土；
（5）待混凝土达到设计强度后，张拉预应力并固定。
上述（4）步骤中，浇注混凝土时，从低端进料，并在高端处设置排气孔。
该施工方法的优点为，浇筑混凝土不需要模板，无粘结预应力筋、混凝土、钢板三者能有效结合、固定，减少施工工艺，缩短了施工工期。
附图说明
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的加固结构示意图；
图2为图1的Ⅰ-Ⅰ剖视图；
图3为实施例1的待加固桥梁的横截面示意图；
图4为实施例1中的A类箱体（箱梁边肋底板）的加固结构示意图；
图5为实施例1中的B类箱体(箱梁中肋底板)的加固结构示意图；
图6为实施例2中的T梁支点附近加固结构横截面示意图；
图7为实施例2中的T梁跨中附近加固结构横截面示意图；
图8为张拉端的细部结构示意图；
图中各代码表示：1-待加固部位、2-底部钢板、3-预应力筋、4-顺桥向钢板、5-横桥向堵头钢板、6-锚栓、7-锚固系统、8-定位钢筋、9-加劲肋板条。
具体实施方式
本发明公开了一种箱梁或T梁的无粘结预应力加固结构及其施工方法。所公开的加固构造主要包括浇筑于混凝土内的无粘结预应力体系及由锚栓紧固并外包在待加固部位外的钢板，锚栓一端植入待加固部位，另一端穿过钢板，钢板和原结构之间横桥向设有槽钢或钢板，顺桥向设有堵头钢板；所述钢板与待加固部位间浇筑有混凝土，混凝土中设有无粘结预应力体筋（后张法），待混凝土达到一定强度后张拉预应力筋封锚固定；最小加固体厚度仅为10.8cm，横向宽度及预应力筋数量可根据原结构受力情况适当调整。本发明的加固结构是在无粘结预应力体系中引入了钢板-混凝土加固构造，解决了现有的箱梁或T梁的体外预应力加固技术中存在的自重大、预应力筋定期养护困难、动力性能差、转向块及锚固块应力集中且一旦失效将导致预应力损失较大甚至失效等问题，同时一定程度上增大了结构的刚度。
对于本发明的顺桥向钢板：加固T梁时使用钢板，加固箱梁时使用槽钢。
以下是发明人给出的关于本发明的详细说明，应理解，以下说明用于解释本发明不用于限定本发明的范围。
参考图1-图2，本发明的无粘结预应力加固结构包括底部钢板2、顺桥向钢板4（或顺桥向槽钢）和横桥向堵头钢板5；底部钢板2、顺桥向钢板4和横桥向堵头钢板5将桥梁的待加固部位1围设且形成一腔体，该腔体中穿设有多根预应力筋3并浇注有混凝土，且混凝土厚10～15cm；对于箱梁，腔体位于待加固部位底部。对于T梁，腔体将待加固部位包覆。
本发明的预应力筋3的张拉端固定在横桥向堵头钢板5上。为防止结构的变形，固定有预应力筋3的横桥向堵头钢板5内侧增设有加劲肋板条9。参考图8，相邻加劲肋板条9之间的横桥向距离根据实际情况均匀布设，但最小间距应不小于12厘米。
本发明的底部钢板5和顺桥向钢板4均由锚栓固定安装在待加固部位1，且锚栓穿过顺相应的钢板。
由锚栓6固定安装在待加固结构1部位，且锚栓6穿过底部钢板5。
为方便施工，本发明的预应力筋3由固定在底部钢板5上的定位钢筋8定位。
底部钢板2、顺桥向钢板4、横桥向堵头角钢5之间可焊接在一起。
本发明的加固构造的施工方法如下：
步骤一，根据桥梁的承载能力确定桥梁的待加固部位，具体为加固的长度和宽度（根据理论分析计算确定）；
步骤二，清理待加固部位并在清理后的待加固部位测量、植入锚栓：
（1）本发明的待加固部位的清理按照常规方式操作，具体为：
为确保新、旧结构表面的良好结合及不损害原有结构，施工前需人工凿毛及杂物清理，确保混凝土粘接面粗燥、坚硬、密实、无松动、粗骨料部分外露并形成不小于6mm的凹凸面，并用钢丝刷对外露的锈蚀钢筋进行彻底除锈，接触面在定位加固钢板前用高压力水冲洗干净并保持湿润状态；
凿毛应满足《公路桥梁加固设计规范（JTG/T J22-2008）》、《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/T J23-2008）等相关规范要求；
（2）本发明的测量定位，植锚栓按照常规方式操作，具体为：
锚栓的植筋间距一般为40～60cm之间，采用梅花状布置；
测量：用钢尺和其他测量仪器基本定位，标出锚栓的位置，采用钢筋定位仪及原设计图纸对植筋位置进行精确定位（植筋位置可作适当调整，以不损伤原结构主要受力筋为原则）；
钻孔：采用冲击钻成孔，根据设计钢筋的直径大小、植筋深度和施工设备的功率大小选择钻头，钻头直径大于钢筋直径3～6mm，成孔深度大于设计深度5～10mm，钻孔前把结构物表面的水、油等液体清理干净，以防止污染孔洞；
清孔：成孔后首先用压缩空气把孔内粉尘清除一遍，同时把结构物表面的粉尘也清除掉：然后用专用电动毛刷把孔壁上的浮尘刷掉；最后再用压缩空气清除一遍；
孔壁干燥：水、油等液体会破坏植筋结构胶的强度，因此必须对孔壁进行干燥处理，根据不同的情况，可采用两种孔壁干燥的办法：一是电热干燥，如果孔内入水造成孔壁潮湿则采用电热干燥；二是化学干燥，如果孔壁被油污染，则采用能溶解油且挥发性强的化学试剂进行干燥；
植锚栓：清孔等准备工作完成后，给孔内注入适量结构胶，轻轻植入锚栓。锚栓植入应尽量缓慢一边植入一边转动；另外，锚栓应植到底，结构物底面锚栓植入后用支撑防护好，以防锚栓松动或脱掉，要采用适当的方法防止植筋胶流出。锚栓植入完成后，将多余的植筋胶刮去。
植筋工艺应满足《公路桥梁加固设计规范（JTG/T J22-2008）》、《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/T J23-2008）等相关规范要求。
步骤三，在待加固部位安装并固定预应力筋、焊接顺桥向槽钢或钢板、底部钢板、横桥向堵头钢板，并共同组成一腔体，多根预应力筋根据受力要求均匀布设于该腔体中；
各部位钢板按照设计尺寸制作后，对钢板内表面进行除锈，加固钢板尺寸依据设计图纸而定；按照施工现场实际锚栓位置，在底部钢板上开孔，对准锚栓位置安装底部钢板，上紧所有锚栓的螺帽，防止露浆；钢板焊接及防腐应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）》、《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）等相关规范要求。
预应力筋及锚具应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程（JGJ85-2010）》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）》、《无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ92-2004）》、《无粘结预应力钢绞线（JG161-2004）》等相关规范要求，预应力锚具系统断面竖向最大尺寸不大于9cm，横向最大尺寸不大于12cm。
钢板和预应力筋的安装工作可根据实际工程需要采取以下方案进行：
方案一：待底部钢板、横桥向角钢或钢板、顺桥向槽钢或钢板和预应力筋在组装完成后，再一次性固定安装在待加固部位；即各部位钢板和预应力筋组装完成后，一次性整体固定安装在待加固部位；方案二：先在待加固部位安装底部钢板、再安装预应力筋、之后安装横桥向角钢或钢板和顺桥向槽钢或钢板；即待加固部位植筋完成后，安装钢板和预应力筋。
钢板和预应力筋分布安装在待加固部位，采用方案一施工时，可先将钢板拼装焊接完成，再安装无粘结预应力筋及锚固、定位系统，后整体吊装穿入植筋固定；采用方案二施工时，可先穿入植筋安装固定底部钢板和无粘结预应力筋及锚固定位系统，再安装两侧槽钢或钢板及角钢或钢板等。
结构中使用的顺桥向钢板可为槽钢或钢板，横桥向钢板可为角钢或钢板。
步骤四，浇筑混凝土
所述混凝土为自密实混凝土，要求强度高、流动性强、免机械振捣等性能；利用桥梁纵坡，选加固体高程较低位置的槽钢或钢板侧面开进料孔（φ=3～4cm），并在槽钢高处设置3～4个排气孔（φ=1～2cm，孔数可适当增加），（开孔原则，最低高程孔为进料孔，其余孔沿高程依次为排气孔）加压力注入自密实混凝土（压力大小根据纵坡大小及注入高度综合确定，以满足施工要求为原则）；浇筑顺序为先中跨后边跨。
本发明所用混凝土为高性能自密实混凝土，施工时应从低端进料，并在高端处设置一定数量的排气孔，把高性能自密实混凝土注入板底封闭腔内；
浇筑一般应从中跨加固段开始，待中跨浇筑完毕后，再浇筑两边跨加固段，浇筑过程中必须保证封闭室内浇筑密实，浇筑时需安排专人实时跟踪检查，检查密实情况，确保浇筑密实；
混凝土性能应满足《自密实混凝土应用技术规程（JGJT283-2012）》、《无粘结预应力混凝土结构技术规程（JGJ92-2004）》等相关规范要求。
步骤五，待混凝土达到设计强度后，张拉预应力并固定。
以下是发明人提供的实施例，以对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
该实施例的待加固桥梁为西安绕城高速方家村立交，方家村立交主线桥位于西安绕城高速公路东段，于2000年建成通车。
主线桥起点桩号为K-1+492.96，终点桩号K0+351.04，桥梁全长858.08米。
双向六车道，桥面宽35m，上跨连霍高速公路，交叉角度90°。
方家村互通主线桥左幅共37跨，右幅共37跨。
上部结构为钢筋混凝土单箱多室连续箱梁，下部结构为桩基础，预埋式桥台，柱式桥墩。
桥面宽度为0.5米（防护栏）+15.5～22.78米（行车道）+3.0米（中央分隔带）+15.5～24.07米（行车道）+0.5米（防护栏）。
桥梁设计荷载为汽车-超20级、挂车-120。
方家村立交病害主要表现在箱梁钢筋应力过大、部分支点截面抗弯承载力不足、截面刚度差。分析主要原因为：主梁刚度偏小；钢筋混凝土主梁不断发展的裂缝造成主梁刚度不断削弱，造成主梁下挠；部分支点断面承载能力不足，影响此断面及其他控制断面的受力性能；桥梁早期病害导致主梁受拉钢筋在较高的应力幅下运营，导致钢筋混凝土构件抗冲击荷载及抗疲劳性能偏弱；近年来，快速激增的运营荷载导致病害发展加剧。
应用桥梁专用程序midas/civil和桥梁博士建立桥梁模型计算综合以上因素采用加固方案为：在支点截面腹板张拉预应力体外短束、加厚支点断面腹板厚度，以降低支点断面钢筋应力值及提高抗弯承载力。安装无粘结预应力与钢板-混凝土组合结构骨架，浇筑混凝土待达到设计强度后，张拉无粘结预应力束提高箱梁截面刚度、降低梁底钢筋应力值。
加固体分边肋和中肋分别进行，横向相关尺寸见图3、图4和图5。
锚栓（植筋）的尺寸分M16×250和M16×150型号，前者主要用于固定底部钢板、顺桥向槽钢，后者主要用于固定横桥向堵头角钢，植入深度至少16cm，纵、横间距为40cm——50cm。
A类箱体、B类箱体内分别为5根和7根15.2mm无粘结预应力筋，锚具为OLMU-1型锚具，钢板为Q345钢板，槽钢为100×48×5.3普通热轧槽钢。
混凝土为C40高性能自密实混凝土，浇筑、张拉等应满足《公路桥涵施工技术规范》（JTJ/T F50-2011）、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJT283-2012）现行规范要求。
理论计算表明，采用无粘结预应力与钢板-混凝土组合构造加固后，原桥承载力和刚度均有较大提高，承载力最大提高30%，刚度最大提高约15%。
实施例2：
该实施例的待加固桥梁为汉中某桥，建成于20世纪60年代。该桥上部结构为5跨14.1米钢筋混凝土T梁，下部结构为重力式墩、台。
桥面宽度：0.32米（栏杆）+6.55米（行车道）+0.32米（栏杆）。
桥面铺装：水泥混凝土+沥青混凝土
推定设计荷载：汽—13级、拖—60（依据1956年《公路工程设计准则（修订草案）》标准）。
该桥修建时的设计荷载偏低，近年来，随着该桥交通量的日益增长，重车比重增大，桥梁承载力已不能满足现行规范和目前通行能力的使用要求，该桥继续使用存在极大的安全隐患。根据该桥《桥梁承载能力检测评定报告》，该桥技术状况综合评定为二类。
应用桥梁专用程序midas/civil和桥梁博士建立桥梁模型计算综合以上因素采用加固方案为：采用无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固方法，在T梁底面及腹板下缘一定高度增设无粘结预应力与钢板-混凝土，增大主梁截面面积并增加预应力；每跨跨中处增加一道横隔板，增强各主梁间的横向联系；封闭主梁裂缝；拆除原桥面铺装和护栏，新建桥面系和防撞护栏。通过上述措施提高该桥结构承载能力，使其满足公路-Ⅱ级荷载等级要求。
该桥的支点、跨中加固的横断面相关尺寸见图6、图7。
锚栓（植筋）的尺寸分M16×280和M16×400型号，分别用于固定底部钢板、侧面钢板等部位，前者植入深度至少16cm，后者穿透T梁腹板，侧面、底面布置间距为50cm，局部特殊部位为40cm。
加固体内设置6根15.2mm无粘结预应力筋，锚具为OLMU-1型锚具，钢板为Q345钢板，角钢尺寸为110×70×10普通热轧角钢。
混凝土为C40高性能自密实混凝土，浇筑、张拉等应满足《公路桥涵施工技术规范》（JTJ/T F50-2011）、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJT283-2012）等现行规范要求。
该桥加固施工完成后，经荷载试验验证，桥梁承载能力和结构刚度满足公路-Ⅱ级荷载等级要求且有一定安全储备，经过一段时间的实际运营后，未出现病害，达到了加固的效果，实现了提升荷载等级的目的。
Claims (9)
1.一种箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于包括：底部钢板、顺桥向钢板和横桥向堵头钢板；
所述底部钢板、顺桥向钢板和横桥向堵头钢板围设在桥梁的待加固部位四周并形成一腔体，该腔体中穿设有多根预应力筋并浇注有混凝土，且混凝土厚10～15cm；
所述预应力筋的张拉端固定在横桥向堵头钢板上。
2.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述底部钢板由锚栓固定安装在待加固部位，且锚栓穿过底部钢板；所述顺桥向钢板由锚栓固定安装在待加固部位，且锚栓穿过顺桥向钢板。
3.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述的腔体位于待加固部位底部。
4.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述的腔体将待加固部位包覆。
5.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述锚栓与预应力筋在所述腔体中交替分布。
6.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述预应力筋的张拉端由锚固系统固定在横桥向堵头钢板上，且固定有预应力筋的横桥向堵头钢板内侧增设有加劲肋板条。
7.如权利要求1所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造，其特征在于,所述预应力筋由固定在底部钢板上的定位钢筋定位。
8.箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造的施工方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
（1）根据待加固桥梁的承载能力确定待加固部位；
（2）清理待加固部位表面，在待加固部位植入锚栓；
（3）在待加固部位安装固定预应力筋、底部钢板、顺桥向钢板和横桥向钢板，底部钢板、顺桥向钢板和横桥向钢板组成一腔体，多根预应力筋穿设于该腔体中；
（4）在腔体中浇注混凝土；
（5）待混凝土达到设计强度后，张拉预应力并固定。
9.如权利要求8所述的箱梁或T梁的无粘结预应力与钢板-混凝土组合加固构造的施工方法，其特征在于，上述（4）步骤中，浇注混凝土时，从低端进料，并在高端处设置排气孔。
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