CN104195933A - 一种可修复的预应力混凝土t梁桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体（3）、中横隔板（1）和端横隔板（2）；其中，所述的中横隔板（1）、端横隔板（2）分别采用带有体外预应力筋的转向块、锚固块；转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管（4），导向管（4）与T梁梁体（3）的钢筋紧密连接；锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体（3）连接的位置设有角钢。本发明造价低廉、安全可靠，可以解决由于预应力损失、活荷载增加造成的桥梁承载力不足以及临时需要通行重载车辆需要增加的结构拉力，方便地实现体外预应力加固，极大降低了工程实施的风险。

Description

一种可修复的预应力混凝土T梁桥

技术领域

本发明属于预应力混凝土T梁桥的结构设计和旧桥加固领域，尤其涉及了一种预留加固装置的可修复的预应力混凝土T梁桥，可以应用于新建桥梁的构造设计及既有桥梁的体外预应力加固技术。

背景技术

体外预应力技术是将预应力筋置于混凝土梁体以外，通过端部锚具和转向块传递力，与传统的体内预应力结构相比，具有截面尺寸小、自重轻、预应力筋更换与维护管理方便、预应力摩擦损失小、施工工期短以及耐久性好等优点。但体外预应力混凝土桥梁存在自身的缺陷，例如锚具和转向块承受太大的力而容易破坏，并且我国现行混凝土标准规范中也无具体的规定，因此新建体外预应力桥梁很少。

体外预应力技术在既有桥梁的加固和维修中应用比较广泛，尤其适用于中等跨径的简支梁桥以及先简支后连续的预应力混凝土连续梁桥，能显著提高结构承载力和抗裂度，有效地改善结构的应力状态。在旧桥加固工程中，转向块和锚固块是体外预应力混凝土结构中最关键的构造之一，转向块可以改变力筋方向，锚固系统提供了预加力，其设计直接关系到结构的使用效果和耐久性。按照结构形式，转向块和锚固块可分为钢筋混凝土结构和钢板、钢管组合结构两种，钢筋混凝土及钢制转向块和锚固块多数采用在原结构上植筋安装的做法，由于原结构钢筋密集，结构断面较小，新增转向块破坏原结构的风险较大，这也是体外预应力在装配式梁桥加固中应用较少的主要原因之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种设计合理、安全可靠、在桥梁上充分利用体外预应力技术的可修复的预应力混凝土T梁桥。该T梁梁体构造设计即可应用与新建桥梁，也可用于既有桥梁的加固改造。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体、中横隔板和端横隔板；所述的中横隔板采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管，导向管与T梁梁体的钢筋紧密连接；所述的端横隔板采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体连接的位置设有角钢。

本发明进一步说明，所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的1.5～3倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的10%～20%。

本发明进一步说明，所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距不小于90mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体的钢筋紧密绑扎。

本发明进一步说明，所述的导向管采用厚度为3mm以上的钢管，在混凝土与导向管端部的连接位置设置软垫，并将导向管末端做成喇叭口形状。另外，对整个导向管部分的结构配置闭口环筋，将转向块的箍筋和环筋与T梁梁体上翼缘的纵向钢筋连接起来。

本发明进一步说明，所述的转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式采用有限元模型结合拉压杆模型的方法而确定，即根据公式A=T/σ来计算并确定转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式；公式中：A为箍筋面积，T为竖向拉杆中的拉力，σ为设计采用的箍筋应力值。

本发明进一步说明，所述的有限元模型结合拉压杆模型的方法具体步骤为：

步骤一、根据T梁桥的有限元模型计算并画出T梁桥的竖向应力分布图和竖向拉应力截面，找出应力集中地分布的区域，选取该区域进行分析；

步骤二、把转向块和锚固块理想化为由混凝土压杆和钢筋拉杆组成的桁架结构，模拟荷载在结构内部的传递机理，其中拉杆和压杆象征在混凝土构件中实际荷载的传力机制和支撑情况；

步骤三、根据桁架结构简化图和静力平衡条件得出竖向拉杆中的拉力T。

有限元模型是采用有限元法建立的模型。有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

拉压杆模型适用于钢筋混凝土结构中不符合平截面假定区域的设计。拉压杆模型由结点区、压杆、拉杆三部分组成，其承载力也由这三部分的承载力构成。按该方法进行设计，就是对结点区、压杆、拉杆进行设计。拉压杆模型中的结点是压杆轴线、拉杆轴线和荷载作用线的交点，结点区简单地说就是结点周围的一块混凝土区域，它的功能就是将力传到支座或B区。根据其受力性质可分为C-C-C 结点、C-C-T 结点、C-T-T  结点和T-T-T结点四种类型，如图3[6] 所示。压杆是结构内部的承压构件，压杆的形状可以是柱状或者瓶状，一些学者建议水平压杆使用柱状结构，斜压杆使用瓶状结构。拉杆是拉压杆模型中的受拉构件，是由钢筋（包括预应力或非预应力钢筋）和包裹在钢筋上的混凝土组成。在设计中，忽略受拉区混凝土的抗拉承载力。假定混凝土不受力不等于受拉区混凝土没有任何作用，它可以减少拉杆在受荷状态的变形。虽然拉压杆模型的基本组成类似于桁架模型，但是它区别于桁架模型。首先结构的拉压杆模型既可为静定也可为超静定，既可为几何不变也可为几何可变，而桁架模型一般是几何不变的。其次是在工程设计中桁架模型主要用于B区，而拉压杆模型主要用于D区。其中拉压杆模型之所以可为几何可变的原因在于它是针对结构在某特定荷载作用下建立的，是该特定荷载作用下的拉、压杆力的平衡，当作用荷载发生变化，则拉压杆模型也要随着变化。

在本发明的技术方案中，在新建T梁桥是在通常安放中横隔板、端横隔板的位置分别安放新设计的带有体外预应力筋的转向块、锚固块；而在既有桥梁加固改造中，则将原有的中横隔板、端横隔板改造成新设计的带有体外预应力筋的转向块、锚固块。新设计的转向块、锚固块的结构很好的解决了现有设计中存在的问题，可以使得体外预应力技术可以很好的应用于混凝土T梁桥上，而且极大的方便今后桥梁结构的改造和荷载提升，极大的降低了体外预应力加固技术实施的风险，几乎不影响桥梁的正常运营，且施工速度快，工期短，便于标准化施工。

在新建桥梁中考虑预留体外预应力加固装置在增加造价极少的情况下，极大的方便今后结构的改造和修复，并且给结构预留了荷载提升的可能，能够提供价格低廉的体外预应力加固改造方式，方便且有效的解决以下问题：

（1）预应力损失造成的桥梁承载力的问题。根据预应力钢筋合力公式：

                       （1）

式中，受拉、压区预应力筋的有效预应力、，受拉、压区预应力筋的截面面积，、为受拉、压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土收缩徐变引起的预应力损失，、为受区、压区普通钢筋的截面面积，从公式（1）可以看出，当受拉区的有效预应力以及预应力筋的截面面积增大时，可显著提高预应力钢筋合力，从而提高结构承载力。

（2）活荷载增加造成的桥梁承载力需要提高的问题。根据受弯构件正截面抗弯承载力结算公式：

          （2）

式中，为桥梁结构的重要性系数，为弯矩组合设计值，为混凝土轴心抗压强度设计值，、为纵向普通钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值，、为纵向预应力钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值，、为受拉、压区普通钢筋的截面面积，、为受拉、压区预应力钢筋的截面面积，b为截面腹板宽度，h ₀为截面有效高度，a，a’为受拉、压区普通钢筋和预应力钢筋的合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离，、为受拉、压区普通钢筋和预应力钢筋的合力点至受压区边缘的距离，为受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于临时预应力钢筋的应力。从公式（2）可以看出，活荷载增加使得弯矩组合值M _d 增大，体外预应力筋的增加可以使得受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积、增大，正截面抗弯承载力满足结构要求。

（3）提供临时需要通行重载车辆需要增加的结构抗力。根据公式（2），受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积增大，正截面抗弯承载力满足结构要求。

本发明的优点：

（1）在T梁预制时利用本身就存在的构件横隔板来改造成转向块及梁端锚固块，所增加的费用很少，例如一孔30m的预应力混凝土T梁，梁宽12.75m(共6片T梁)，工程造价仅增加2.5%-3.5%。

（2）使得桥梁体外预应力加固技术的实现更加方便，容易解决由于预应力损失、活荷载增加所造成的承载力不足，以及由于临时需要通行重载车辆需要增加的结构拉力，可以轻松地增加和拆除。

（3）回避了常规体外预应力加固技术中，需要在原结构上新增转向块和锚固块，这样很容易对原结构造成严重破坏，甚至造成结构整体承载力下降，本发明极大地降低了工程实施的风险。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2 是本发明一实施例画出公式（1）附图。

图3是本发明一实施例画出公式（2）附图。

附图标记：1-中横隔板，2-端横隔板，3-T梁梁体，4-导向管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1-3所示，一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体3、中横隔板1和端横隔板2；其中，所述的中横隔板1采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管4，导向管4与T梁梁体3的钢筋紧密连接；所述的端横隔板2采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体3连接的位置设有角钢。

所述的转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式采用有限元模型结合拉压杆模型的方法而确定，即根据公式A=T/σ来计算并确定转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式；公式中：A为箍筋面积，T为竖向拉杆中的拉力，σ为设计采用的箍筋应力值。所述的有限元模型结合拉压杆模型的方法具体步骤为：

步骤一、根据T梁桥的有限元模型计算并画出T梁桥的竖向应力分布图和竖向拉应力截面，找出应力集中地分布的区域，选取该区域进行分析；

步骤二、把转向块和锚固块理想化为由混凝土压杆和钢筋拉杆组成的桁架结构，模拟荷载在结构内部的传递机理，其中拉杆和压杆象征在混凝土构件中实际荷载的传力机制和支撑情况；

步骤三、根据桁架结构简化图和静力平衡条件得出竖向拉杆中的拉力T。

根据公式A=T/σ计算配筋，计算得出箍筋钢筋面积在中梁两端和边梁中端为5.03cm²，在边梁边端为3.28cm²。

所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的1.5倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的10%。

所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距为90mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体3的钢筋紧密绑扎。

所述的导向管4采用厚度为3mm的钢管，在混凝土与导向管4端部的连接位置设置软垫，并将导向管4末端做成喇叭口形状。

本实施例使得桥梁体外预应力加固技术的实现更加方便，尤其便于解决以下问题：（1）预应力损失造成的桥梁承载力的问题。根据预应力钢筋合力公式：

                       （1）

式中，受拉、压区预应力筋的有效预应力、，受拉、压区预应力筋的截面面积，、为受拉、压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土收缩徐变引起的预应力损失，、为受区、压区普通钢筋的截面面积，从公式（1）可以看出，当受拉区的有效预应力以及预应力筋的截面面积增大时，可显著提高预应力钢筋合力，从而提高结构承载力。

（2）活荷载增加造成的桥梁承载力的问题。根据受弯构件正截面抗弯承载力结算公式：

          （2）

式中，为桥梁结构的重要性系数，为弯矩组合设计值，为混凝土轴心抗压强度设计值，、为纵向普通钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值，、为纵向预应力钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值，、为受拉、压区普通钢筋的截面面积，、为受拉、压区预应力钢筋的截面面积，b为截面腹板宽度，h ₀为截面有效高度，a，a’为受拉、压区普通钢筋和预应力钢筋的合力点至受拉区边缘、受压区边缘的距离，、为受拉、压区普通钢筋和预应力钢筋的合力点至受压区边缘的距离，为受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于临时预应力钢筋的应力。从公式（2）可以看出，活荷载增加使得弯矩组合值M _d 增大，体外预应力筋的增加可以使得受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积、增大，正截面抗弯承载力满足结构要求。

（3）提供临时需要通行重载车辆需要增加的结构拉力。根据公式（2），受拉区、受压区纵向预应力钢筋的截面面积增大，正截面抗弯承载力满足结构要求。

除此之外，本构造可以方便的增加和拆除，且增加的工程量很少。

实施例2：

一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体3、中横隔板1和端横隔板2；其中，所述的中横隔板1采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管4，导向管4与T梁梁体3的钢筋紧密连接；所述的端横隔板2采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体3连接的位置设有角钢。

所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的2倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的15%。

所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距95mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体3的钢筋紧密绑扎。

所述的导向管4采用厚度为4mm的钢管，在混凝土与导向管4端部的连接位置设置软垫，并将导向管4末端做成喇叭口形状。

实施例3：

一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体3、中横隔板1和端横隔板2；其中，所述的中横隔板1采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管4，导向管4与T梁梁体3的钢筋紧密连接；所述的端横隔板2采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体3连接的位置设有角钢。

所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的3倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的20%。

所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距为100mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体3的钢筋紧密绑扎。

所述的导向管4采用厚度为5mm以上的钢管，在混凝土与导向管4端部的连接位置设置软垫，并将导向管4末端做成喇叭口形状。

实施例4：

一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体3、中横隔板1和端横隔板2；其中，所述的中横隔板1采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管4，导向管4与T梁梁体3的钢筋紧密连接；所述的端横隔板2采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体3连接的位置设有角钢。

所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的1.5倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的15%。

所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距不小于100mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体3的钢筋紧密绑扎。

所述的导向管4采用厚度为4mm以上的钢管，在混凝土与导向管4端部的连接位置设置软垫，并将导向管4末端做成喇叭口形状。

Claims (6)

1. 一种可修复的预应力混凝土T梁桥，包括T梁梁体（3）、中横隔板（1）和端横隔板（2）；其特征在于：所述的中横隔板（1）采用带有体外预应力筋的转向块；所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块或块式钢筋混凝土块，并且块内埋置导向管（4），导向管（4）与T梁梁体（3）的钢筋紧密连接；所述的端横隔板（2）采用带有体外预应力筋的锚固块；所述的锚固块为在块内预留波纹管孔道的块式钢筋混凝土块，并且在锚固块与T梁梁体（3）连接的位置设有角钢。

2. 根据权利要求1所述可修复的预应力混凝土T梁桥，其特征在于：所述的转向块为肋板式钢筋混凝土块时，转向块的纵断面为肋板式的马蹄形纵断面，且马蹄宽度为肋宽的1.5～3倍，马蹄纵断面积占转向块总纵断面积的10%～20%。

3. 根据权利要求1所述可修复的预应力混凝土T梁桥，其特征在于：所述的锚固块的纵断面为块式的梯形纵断面；所述的锚固块的受力主筋采用直径25mm的HRB400钢筋，且钢筋间距不小于90mm；锚固块的骨架钢筋与T梁梁体（3）的钢筋紧密绑扎。

4. 根据权利要求1所述可修复的预应力混凝土T梁桥，其特征在于：所述的导向管（4）采用厚度为3mm以上的钢管，在混凝土与导向管（4）端部的连接位置设置软垫，并将导向管（4）末端做成喇叭口形状。

5. 根据权利要求1所述可修复的预应力混凝土T梁桥，其特征在于：所述的转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式采用有限元模型结合拉压杆模型的方法而确定，即根据公式A=T/σ来计算并确定转向块和锚固块的内部箍筋配筋方式；公式中：A为箍筋面积，T为竖向拉杆中的拉力，σ为设计采用的箍筋应力值。

6. 根据权利要求5所述可修复的预应力混凝土T梁桥，其特征在于：所述的有限元模型结合拉压杆模型的方法具体步骤为：

步骤一、根据T梁桥的有限元模型计算并画出T梁桥的竖向应力分布图和竖向拉应力截面，找出应力集中地分布的区域，选取该区域进行分析；

步骤二、把转向块和锚固块理想化为由混凝土压杆和钢筋拉杆组成的桁架结构，模拟荷载在结构内部的传递机理，其中拉杆和压杆象征在混凝土构件中实际荷载的传力机制和支撑情况；

步骤三、根据桁架结构简化图和静力平衡条件得出竖向拉杆中的拉力T。