CN112832146B - 一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，包括步骤：一、确定组合加固结构；二、确定体外预应力钢筋用量；三、确定混凝土加厚加固段的长度、厚度和高度；四、预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固。本发明在梁支撑端附近加厚腹板及底板，可有效增强结构抗剪承载能力，且可兼作体外预应力锚固块和转向块，结构自重增加小，在梁底和梁侧布设体外预应力以提高结构抗弯承载能力，同时抑制裂缝开展，一定程度改善结构受力。

Description

一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法

技术领域

本发明属于预制箱梁的体外预应力技术领域，具体涉及一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法。

背景技术

随着我国现代交通运输事业的迅速发展，桥梁数量不断增加。目前高速公路桥梁总数接近80万座，铁路桥梁已超过20万座，但由于者经验不足，施工过程中存在偏差，荷载等级的提高等原因，导致既有桥梁中出现了不同类型的病害。对桥梁上部结构加固采用的粘贴加固法的被动加固法，加固后的新增部分不承受原结构恒载作用；粘贴加固对桥梁承载能力和刚度提高效果不明显，粘胶的性能和质量对加固效果与结构耐久性影响较大，另外粘贴钢板等结构在动荷载作用下易发生剥离脱空，抗疲劳性能不甚理想。

预应力加固指的是体外预应力加固，体外预应力加固技术是采用外加预应力拉杆(钢绞线)对结构构件进行加固的方法。特点是通过预应力手段强迫拉杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以消除或降低。因此，后加部分与原结构能较好地共同工作，充分发挥后加补强材料的高抗拉性能，结构的总体承载能力可显著提高。预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力三重效果，适用于采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力状态下的桥梁加固。且施工工艺简单、人力投入少、工期短、经济效益明显；对结构损伤小，可大幅度的提高和恢复桥梁承载力，现有的体外预应力加固是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，且现有的体外预应力加固仅仅提高结构抗弯承载能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，方法步骤简单、在梁支撑端附近加厚腹板及底板，可有效增强结构抗剪承载能力，且可兼作体外预应力锚固块和转向块，结构自重增加小，在梁底和梁侧布设体外预应力以提高结构抗弯承载能力，同时抑制裂缝开展，一定程度改善结构受力，能简便、快速确定桥梁组合加固结构的结构参数，桥梁组合加固结构经济实用且加固效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定组合加固结构：利用体外预应力与增大截面组合加固结构对预制箱梁进行加固；

所述体外预应力与增大截面组合加固结构包括多组分别构筑在各跨预制箱梁段上的体外预应力与增大截面组合加固机构，所述体外预应力与增大截面组合加固机构包括两个对称构筑在单跨预制箱梁段两侧位置的混凝土加厚加固段，混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧设置有锚固端钢板，两个锚固端钢板之间设置有体外预应力束，混凝土加厚加固段所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述体外预应力束与混凝土加厚加固段的相交段浇筑在混凝土加厚加固段内，所述体外预应力束暴露在混凝土加厚加固段之外的部分呈平直状态；所述体外预应力束包括多个体外预应力钢筋；

步骤二、确定体外预应力钢筋用量，过程如下：

步骤201、向数据处理设备输入对应单跨预制箱梁段的结构参数，所述单跨预制箱梁段的结构参数包括单跨预制箱梁段的底板内纵向预应力钢筋的截面面积A_p、单跨预制箱梁段的纵向受压钢筋的截面面积A_sy′、纵向受压钢筋的抗压强度值f_sy′、单跨预制箱梁段的纵向受拉钢筋的截面面积A_sy、纵向受拉钢筋的抗拉强度值f_sy、单跨预制箱梁段的受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离a_s′、单跨预制箱梁段的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受拉边缘的距离a₀、单跨预制箱梁段的顶板的宽度b_f′、厚度h_f′、单跨预制箱梁段两个腹板的厚度之和b′、单跨预制箱梁段的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受压边缘的距离h₀和单跨预制箱梁段的梁高h₁，其中A_p、A_sy′和A_sy的单位均为mm²，f_sy′和f_sy的单位均为MPa，a_s′、a₀、b_f′、h_f′、b′、h₀和h₁的单位均为mm；h₀+a₀＝h₁；纵向受压钢筋位于顶板内，纵向受拉钢筋位于底板内，纵向受压钢筋和纵向受拉钢筋均为非预应力钢筋，且单跨预制箱梁段的中性轴位于顶板下方；

根据公式

初始化估算单束的体外预应力钢筋的面积A_pd和体外预应力钢筋的用量n，其中，σ_pe为体外预应力钢筋的有效预应力，h_p为底板外的体外预应力钢筋的合力点至顶板的距离，M₁为单跨预制箱梁段加固前的弯矩，M₀为单跨预制箱梁段加固后的弯矩，M_p2为体外预应力束的二次效应产生的弯矩；

步骤202、根据公式

进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，其中，γ₀为预制箱梁桥体结构的重要性系数，M_d为单跨预制箱梁段弯矩设计值，f_cd为混凝土轴心抗压强度设计值，x为混凝土截面受压区高度，f’_sd为非预应力钢筋抗压强度设计值，A’_s为单跨预制箱梁段受压区纵向非预应力钢筋的截面面积，f’_pd为体外预应力钢筋抗压强度设计值，σ’_p0为受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力，A’_p为受压区纵向预应力钢筋的截面面积，a’_p为预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离，f_sd为非预应力钢筋抗拉强度设计值，A_s为单跨预制箱梁段受拉区纵向非预应力钢筋的截面面积，f_pd为预应力钢筋抗拉强度设计值；σ_st为在作用频遇组合下单跨预制箱梁段抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

M_s为按作用频遇组合计算的弯矩值，W₀为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，σ_pc为扣除全部预应力损失后的预加力在单跨预制箱梁段抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力，f_tk为混凝土的抗拉强度标准值，σ_lt为在作用准永久组合下单跨预制箱梁段抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

其中，M_l为结构自重和直接施加于结构上的汽车荷载、人群荷载、风荷载按作用准永久组合计算的弯矩值；

当

成立时，输出体外预应力钢筋用量n以及单束体外预应力钢筋的面积；

当

不成立时，重新计算单束的体外预应力钢筋的面积A_pd和体外预应力钢筋的用量n，并对其进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，直至满足要求；

步骤三、确定混凝土加厚加固段的长度、厚度和高度，过程如下：

步骤301、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段折减后的抗剪力F^z；

当F^z≥γ₀V_d时，得到混凝土加厚加固段的长度C＝C₀、厚度H＝h_min和高度G＝0.8(h₁-h’_f)，其中，V_d为剪力设计值，C₀为长度常量且C₀取1m～2m，h_min为体外预应力钢筋锚固最小间距且h_min＝8cm；

当F^z＜γ₀V_d时，执行步骤302；

步骤302、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段剪力不满足要求的梁段长度，根据公式C＝C₁+C₂，计算混凝土加厚加固段的长度C，其中，C₁为单跨预制箱梁段剪力不满足要求的梁段长度，C₂为长度余量；

根据公式H⁰≥h_min，计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰；

根据公式G＝0.8(h₁-h’_f)，计算混凝土加厚加固段的高度G；

步骤303、以H⁰＝h_min给定混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰的初值，根据公式

进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，其中，V_cs为配置预应力钢筋斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值且

α₁为异号弯矩影响系数，α₂为预应力提高系数，α₃为受压翼缘的影响系数，b为配置预应力钢筋斜截面内剪压区对应正截面处的矩形截面宽度，P为配置预应力钢筋斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，f_cu.k为单位混凝土立方体抗压强度标准值，ρ_sv为斜截面内箍筋配筋率，f_sv为箍筋的抗拉强度设计值，ρ_pv为斜截面内竖向预应力钢筋配筋率，f_pv为竖向预应力钢筋的抗拉强度设计值；

V_sb为与斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_sb＝0.75×10^-3f_sd∑A_sbsinθ_s，A_sb为斜截面内在同一弯起平面的普通弯起钢筋的截面面积，θ_s为斜截面剪压区对应正截面处普通弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb为与斜截面相交的体内预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb＝0.75×10^{- 3}f_pd∑A_pb sinθ_p，θ_p为斜截面剪压区对应正截面处体内预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb.ex为与斜截面相交的体外预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb.ex＝0.75×10^-3∑nA_pd·σ_pe sinθ_ex，θ_ex为斜截面剪压区对应正截面处体外预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

当

成立时，即为H＝h_min，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h’_f)；

当

不成立时，重新计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰，并对其进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，直至满足要求，获取H⁰≥h_min条件下混凝土加厚加固段的预定厚度最小值，即为H⁰＝h_min+h_Δ，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h’_f)，其中，h_Δ为混凝土加厚厚度；

步骤304、保持混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧厚度为预定厚度H⁰，对混凝土加厚加固段的预定厚度进行逐渐削薄，使混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度为h_min；

步骤305、利用结构设计有限元分析软件获取组合加固结构的剪力包络图，检验组合加固结构剪力是否满足要求，当组合加固结构剪力满足要求时，执行步骤四；当组合加固结构剪力不满足要求时，增大混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度，即混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度介于h_min和H⁰之间，且组合加固结构剪力满足要求的最小值，介于h_min和H⁰之间的值作为混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度的最终值；

步骤四、预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固,过程如下：

步骤401、在混凝土加厚加固段所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述剪力槽组靠近梁支撑端一侧设置；

步骤402、在混凝土加厚加固段所在预制箱梁位置处靠近梁支撑端一侧固定锚固端钢板；

步骤403、将步骤二确定的体外预应力束呈对称结构布设在单跨预制箱梁段的底部和侧部，体外预应力钢筋的端部与锚固端钢板锚固连接；

步骤404、支设步骤三确定的混凝土加厚加固段结构所用模板，对体外预应力束进行预应力张拉，并浇筑混凝土，混凝土浇筑注入剪力槽内，形成抗剪块，多个抗剪块均与混凝土加厚加固段浇筑为一体；

步骤405、安装减震装置；

步骤406、待混凝土强度达到设计强度后拆模。

上述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述剪力槽组包括多个剪力槽，抗剪块设置在剪力槽内。

上述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述体外预应力束的中部通过多个减震装置固定在单跨预制箱梁段上，多个减震装置呈等间距设在所述体外预应力束上。

上述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述单跨预制箱梁段的跨中设置有跨中横隔板。

上述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述长度余量C₂＝C₁。

上述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述混凝土加厚加固段和锚固端钢板无缝连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明体外预应力钢束用量通过跨中区域抗弯承载能力和结构抗裂性要求确定，不断计算单束的体外预应力钢筋的面积A_pd和体外预应力钢筋5的用量n，并对其进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，直至满足要求，体外预应力的加固方式施工工艺简单、人力投入少、工期短、经济效益明显；对结构损伤小，可大幅度的提高和恢复桥梁承载力，便于推广使用。

2、本发明支点附近增大截面长度由抗剪承载能力及抗剪截面要求确定，增大截面厚度由构造的体外预应力锚固及张拉要求、及抗剪承载能力及抗剪截面确定，预制箱梁在支点以及单跨预制箱梁段两侧位置处主要受剪力，预制箱梁在次边跨以及跨中位置处主要受压，因此在预制箱梁在支点以及单跨预制箱梁段两侧位置处需要提高其抗剪能力，预制箱梁所受剪力由两边向中间逐渐减少，若混凝土加厚加固段的厚度满足支点以及单跨预制箱梁段两侧位置处的剪力，则混凝土加厚加固段朝向中部的抗剪能力自然满足，从腹板加厚加固板靠近梁支撑端一侧向所述腹板加厚加固板的另一侧逐渐变薄，满足混凝土加厚加固段的抗剪能力的同时减轻混凝土加厚加固段的自重，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明方法步骤简单，通过混凝土加厚加固段增大单跨预制箱梁段两侧底板和侧板的截面，以提高补强预制箱梁的抗剪能力，并预先在混凝土加厚加固段对应的预制箱梁上开设多个剪力槽，多个剪力槽靠近梁支撑端一侧设置，通过后期的混凝土浇筑注入剪力槽内，混凝土加厚加固段抵抗梁体的水平剪力，采用在梁底和梁侧布设新增体外预应力束构造来提高梁体抗弯承载能力，同时抑制裂缝开展，一定程度改善结构受力，可靠稳定，将锚固端钢板设置在混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧，体积小，体外预应力束与混凝土加厚加固段的相交段浇筑在混凝土加厚加固段内，体外预应力束暴露在混凝土加厚加固段之外的部分呈平直状态，混凝土加厚加固段有效增强结构抗剪承载能力，且可兼作体外预应力锚固块和转向块，结构自重增加小，便于推广使用。

综上所述，本发明方法步骤简单、在梁支撑端附近加厚腹板及底板，可有效增强结构抗剪承载能力，且可兼作体外预应力锚固块和转向块，结构自重增加小，在梁底和梁侧布设体外预应力以提高结构抗弯承载能力，同时抑制裂缝开展，一定程度改善结构受力，能简便、快速确定桥梁组合加固结构的结构参数，桥梁组合加固结构经济实用且加固效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明组合加固结构的结构示意图。

图2为本发明加固后梁体边侧的结构示意图。

图3为本发明加固后梁体跨中的结构示意图。

图4为本发明混凝土加厚加固段两腹板加厚加固板厚度均匀的结构示意图。

图5为本发明混凝土加厚加固段两腹板加厚加固板厚度不均匀的结构示意图。

图6为本发明对边侧0.4L截面进行中载工况测试下的加固前后挠度曲线对比图。

图7为本发明对边侧0.4L截面进行偏载工况测试下的加固前后挠度曲线对比图。

图8为本发明对边侧0.4L截面进行中载工况测试下的加固前后应变曲线对比图。

图9为本发明对边侧0.4L截面进行偏载工况测试下的加固前后应变曲线对比图。

图10为本发明方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—单跨预制箱梁段； 2—剪力槽； 3—抗剪块；

4—锚固端钢板； 5—体外预应力钢筋； 6—混凝土加厚加固段；

7—减震装置； 8—跨中横隔板。

具体实施方式

如图1至图10所示，本发明的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，包括以下步骤：

步骤一、确定组合加固结构：利用体外预应力与增大截面组合加固结构对预制箱梁进行加固；

所述体外预应力与增大截面组合加固结构包括多组分别构筑在各跨预制箱梁段上的体外预应力与增大截面组合加固机构，所述体外预应力与增大截面组合加固机构包括两个对称构筑在单跨预制箱梁段1两侧位置的混凝土加厚加固段6，混凝土加厚加固段6靠近梁支撑端一侧设置有锚固端钢板4，两个锚固端钢板4之间设置有体外预应力束，混凝土加厚加固段6所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述体外预应力束与混凝土加厚加固段6的相交段浇筑在混凝土加厚加固段6内，所述体外预应力束暴露在混凝土加厚加固段6之外的部分呈平直状态；所述体外预应力束包括多个体外预应力钢筋5；

步骤二、确定体外预应力钢筋用量，过程如下：

步骤201、向数据处理设备输入对应单跨预制箱梁段1的结构参数，所述单跨预制箱梁段1的结构参数包括单跨预制箱梁段1的底板内纵向预应力钢筋的截面面积A_p、单跨预制箱梁段1的纵向受压钢筋的截面面积A_sy′、纵向受压钢筋的抗压强度值f_sy′、单跨预制箱梁段1的纵向受拉钢筋的截面面积A_sy、纵向受拉钢筋的抗拉强度值f_sy、单跨预制箱梁段1的受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离a_s′、单跨预制箱梁段1的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受拉边缘的距离a₀、单跨预制箱梁段1的顶板的宽度b_f′、厚度h_f′、单跨预制箱梁段1两个腹板的厚度之和b′、单跨预制箱梁段1的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受压边缘的距离h₀和单跨预制箱梁段1的梁高h₁，其中A_p、A_sy′和A_sy的单位均为mm²，f_sy′和f_sy的单位均为MPa，a_s′、a₀、b_f′、h_f′、b′、h₀和h₁的单位均为mm；h₀+a₀＝h₁；纵向受压钢筋位于顶板内，纵向受拉钢筋位于底板内，纵向受压钢筋和纵向受拉钢筋均为非预应力钢筋，且单跨预制箱梁段1的中性轴位于顶板下方；

根据公式

初始化估算单束的体外预应力钢筋5的面积A_pd和体外预应力钢筋5的用量n，其中，σ_pe为体外预应力钢筋5的有效预应力，h_p为底板外的体外预应力钢筋5的合力点至顶板的距离，M₁为单跨预制箱梁段1加固前的弯矩，M₀为单跨预制箱梁段1加固后的弯矩，M_p2为体外预应力束的二次效应产生的弯矩；

步骤202、根据公式

进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，其中，γ₀为预制箱梁桥体结构的重要性系数，M_d为单跨预制箱梁段1弯矩设计值，f_cd为混凝土轴心抗压强度设计值，x为混凝土截面受压区高度，f’_sd为非预应力钢筋抗压强度设计值，A’_s为单跨预制箱梁段1受压区纵向非预应力钢筋的截面面积，f’_pd为体外预应力钢筋5抗压强度设计值，σ’_p0为受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力，A’_p为受压区纵向预应力钢筋的截面面积，a’_p为预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离，f_sd为非预应力钢筋抗拉强度设计值，A_s为单跨预制箱梁段1受拉区纵向非预应力钢筋的截面面积，f_pd为预应力钢筋抗拉强度设计值；σ_st为在作用频遇组合下单跨预制箱梁段1抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

M_s为按作用频遇组合计算的弯矩值，W₀为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，σ_pc为扣除全部预应力损失后的预加力在单跨预制箱梁段1抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力，f_tk为混凝土的抗拉强度标准值，σ_lt为在作用准永久组合下单跨预制箱梁段1抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

其中，M_l为结构自重和直接施加于结构上的汽车荷载、人群荷载、风荷载按作用准永久组合计算的弯矩值；

当

成立时，输出体外预应力钢筋用量n以及单束体外预应力钢筋的面积；

当

不成立时，重新计算单束的体外预应力钢筋5的面积A_pd和体外预应力钢筋5的用量n，并对其进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，直至满足要求；

步骤三、确定混凝土加厚加固段的长度、厚度和高度，过程如下：

步骤301、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段1的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段1折减后的抗剪力F^z；

当F^z≥γ₀V_d时，得到混凝土加厚加固段的长度C＝C₀、厚度H＝h_min和高度G＝0.8(h₁-h’_f)，其中，V_d为剪力设计值，C₀为长度常量且C₀取1m～2m，h_min为体外预应力钢筋5锚固最小间距且h_min＝8cm；

当F^z＜γ₀V_d时，执行步骤302；

步骤302、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段1的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段1剪力不满足要求的梁段长度，根据公式C＝C₁+C₂，计算混凝土加厚加固段的长度C，其中，C₁为单跨预制箱梁段1剪力不满足要求的梁段长度，C₂为长度余量；

根据公式H⁰≥h_min，计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰；

根据公式G＝0.8(h₁-h’_f)，计算混凝土加厚加固段的高度G；

步骤303、以H⁰＝h_min给定混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰的初值，根据公式

进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，其中，V_cs为配置预应力钢筋斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值且

α₁为异号弯矩影响系数，α₂为预应力提高系数，α₃为受压翼缘的影响系数，b为配置预应力钢筋斜截面内剪压区对应正截面处的矩形截面宽度，P为配置预应力钢筋斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，f_cu.k为单位混凝土立方体抗压强度标准值，ρ_sv为斜截面内箍筋配筋率，f_sv为箍筋的抗拉强度设计值，ρ_pv为斜截面内竖向预应力钢筋配筋率，f_pv为竖向预应力钢筋的抗拉强度设计值；

V_sb为与斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_sb＝0.75×10^-3f_sd∑A_sbsinθ_s，A_sb为斜截面内在同一弯起平面的普通弯起钢筋的截面面积，θ_s为斜截面剪压区对应正截面处普通弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb为与斜截面相交的体内预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb＝0.75×10^{- 3}f_pd∑A_pb sinθ_p，θ_p为斜截面剪压区对应正截面处体内预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb.ex为与斜截面相交的体外预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb.ex＝0.75×10^-3∑nA_pd·σ_pe sinθ_ex，θ_ex为斜截面剪压区对应正截面处体外预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

当

成立时，即为H＝h_min，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h’_f)；

当

不成立时，重新计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰，并对其进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，直至满足要求，获取H⁰≥h_min条件下混凝土加厚加固段的预定厚度最小值，即为H⁰＝h_min+h_Δ，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h’_f)，其中，h_Δ为混凝土加厚厚度；

本实施例中，所述长度余量C₂＝C₁。

步骤304、保持混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧厚度为预定厚度H⁰，对混凝土加厚加固段的预定厚度进行逐渐削薄，使混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度为h_min；

步骤305、利用结构设计有限元分析软件获取组合加固结构的剪力包络图，检验组合加固结构剪力是否满足要求，当组合加固结构剪力满足要求时，执行步骤四；当组合加固结构剪力不满足要求时，增大混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度，即混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度介于h_min和H⁰之间，且组合加固结构剪力满足要求的最小值，介于h_min和H⁰之间的值作为混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度的最终值；

本实施例中，对体外预应力与增大截面组合加固结构进行加固前后荷载试验对比：

对边侧0.4L截面进行中、偏测试工况加载，测试相应截面下挠度，各工况挠度数据对比见表1。

表1

对边侧0.4L截面进行中、偏测试工况加载，测试相应截面下应变，各工况应变数据对比见表2。

表2

由图6～图7、表1可以看出，本实施例中，加固后工况1～2校验系数在0.60～0.80之间，结构刚度满足要求；工况1～2挠度实测值和理论值与加固前相比，均有一定程度减小，加固后的校验系数与加固前相比，有明显降低，加固前校验系数为0.71～0.86，加固后为0.60～0.80，平均降低13.2％，可见经过体外预应力与增大截面组合加固结构刚度储备增加。

由图8～图9、表2可以看出，本实施例中，加固后工况3～4校验系数在0.45～0.73之间，满足规范要求，结构处于弹性工作范围，且有一定的安全储备；工况3～4应变实测值和理论值与加固前相比，应变校验系数除个别点外，其余测点均有减小，加固后的校验系数与加固前相比，有明显降低，加固前校验系数为0.67～0.74，加固后为0.45～0.73，平均降低13.3％，可见经过体外预应力与增大截面组合加固结构承载能力储备增加，桥梁受力改善明显。

步骤四、预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固,过程如下：

步骤401、在混凝土加厚加固段6所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述剪力槽组靠近梁支撑端一侧设置；

步骤402、在混凝土加厚加固段6所在预制箱梁位置处靠近梁支撑端一侧固定锚固端钢板4；

步骤403、将步骤二确定的体外预应力束呈对称结构布设在单跨预制箱梁段1的底部和侧部，体外预应力钢筋5的端部与锚固端钢板4锚固连接；

步骤404、支设步骤三确定的混凝土加厚加固段6结构所用模板，对体外预应力束进行预应力张拉，并浇筑混凝土，混凝土浇筑注入剪力槽内，形成抗剪块3，多个抗剪块3均与混凝土加厚加固段6浇筑为一体；

步骤405、安装减震装置7；

步骤406、待混凝土强度达到设计强度后拆模。

本实施例中，所述剪力槽组包括多个剪力槽2，抗剪块3设置在剪力槽2内。

本实施例中，所述体外预应力束的中部通过多个减震装置7固定在单跨预制箱梁段1上，多个减震装置7呈等间距设在所述体外预应力束上。

本实施例中，所述单跨预制箱梁段1的跨中设置有跨中横隔板8。

本实施例中，所述混凝土加厚加固段6和锚固端钢板4无缝连接。

本实施例中，所述混凝土加厚加固段6为U型混凝土加厚加固段，所述U型混凝土加厚加固段的两腹板加厚加固板呈对称设置，所述腹板加厚加固板的厚度不均匀，所述腹板加厚加固板靠近梁支撑端一侧比所述腹板加厚加固板的另一侧厚，所述锚固端钢板4为U型锚固端钢板。

需要说明的是，通过混凝土加厚加固段6增大预制箱梁边侧底板和侧板的截面，以提高补强单跨预制箱梁段1的抗剪能力，并预先在混凝土加厚加固段6对应的单跨预制箱梁段1上开设多个剪力槽，多个剪力槽靠近梁支撑端一侧设置，通过后期的混凝土浇筑注入剪力槽内，形成抗剪块3，抗剪块3为混凝土抗剪块，多个所述混凝土抗剪块均与混凝土加厚加固段6浇筑为一体，混凝土加厚加固段抵抗梁体的水平剪力；采用在梁底和梁侧布设新增体外预应力束构造来提高梁体抗弯承载能力，同时抑制裂缝开展，一定程度改善结构受力，可靠稳定；将锚固端钢板4设置在混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧，体积小，体外预应力束与混凝土加厚加固段6的相交段浇筑在混凝土加厚加固段6内，体外预应力束暴露在混凝土加厚加固段6之外的部分呈平直状态，混凝土加厚加固段6有效增强结构抗剪承载能力，且可兼作体外预应力锚固块和转向块，结构自重增加小。

需要说明的是，预制箱梁在支点以及单跨预制箱梁段1两侧处主要受剪力，预制箱梁在次边跨以及跨中位置处主要受压，因此在预制箱梁在支点以及单跨预制箱梁段1两侧位置处需要提高其抗剪能力，预制箱梁所受剪力由两边向中间逐渐减少，若U型混凝土加厚加固段的厚度满足支点以及单跨预制箱梁段1两侧位置处的剪力，则U型混凝土加厚加固段朝向中部的抗剪能力自然满足，从腹板加厚加固板靠近梁支撑端一侧向所述腹板加厚加固板的另一侧逐渐变薄，满足U型混凝土加厚加固段的抗剪能力的同时减轻U型混凝土加厚加固段的自重。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定组合加固结构：利用体外预应力与增大截面组合加固结构对预制箱梁进行加固；

所述体外预应力与增大截面组合加固结构包括多组分别构筑在各跨预制箱梁段上的体外预应力与增大截面组合加固机构，所述体外预应力与增大截面组合加固机构包括两个对称构筑在单跨预制箱梁段(1)两侧位置的混凝土加厚加固段(6)，混凝土加厚加固段(6)靠近梁支撑端一侧设置有锚固端钢板(4)，两个锚固端钢板(4)之间设置有体外预应力束，混凝土加厚加固段(6)所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述体外预应力束与混凝土加厚加固段(6)的相交段浇筑在混凝土加厚加固段(6)内，所述体外预应力束暴露在混凝土加厚加固段(6)之外的部分呈平直状态；所述体外预应力束包括多个体外预应力钢筋(5)；

步骤二、确定体外预应力钢筋用量，过程如下：

步骤201、向数据处理设备输入对应单跨预制箱梁段(1)的结构参数，所述单跨预制箱梁段(1)的结构参数包括单跨预制箱梁段(1)的底板内纵向预应力钢筋的截面面积A_p、单跨预制箱梁段(1)的纵向受压钢筋的截面面积A_sy′、纵向受压钢筋的抗压强度值f_sy′、单跨预制箱梁段(1)的纵向受拉钢筋的截面面积A_sy、纵向受拉钢筋的抗拉强度值f_sy、单跨预制箱梁段(1)的受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离a_s′、单跨预制箱梁段(1)的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受拉边缘的距离a₀、单跨预制箱梁段(1)的顶板的宽度b_f′、厚度h_f′、单跨预制箱梁段(1)两个腹板的厚度之和b′、单跨预制箱梁段(1)的受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋的合力点至截面受压边缘的距离h₀和单跨预制箱梁段(1)的梁高h₁，其中A_p、A_sy′和A_sy的单位均为mm²，f_sy′和f_sy的单位均为MPa，a_s′、a₀、b_f′、h_f′、b′、h₀和h₁的单位均为mm；h₀+a₀＝h₁；纵向受压钢筋位于顶板内，纵向受拉钢筋位于底板内，纵向受压钢筋和纵向受拉钢筋均为非预应力钢筋，且单跨预制箱梁段(1)的中性轴位于顶板下方；

根据公式

初始化估算单束的体外预应力钢筋(5)的面积A_pd和体外预应力钢筋(5)的用量n，其中，σ_pe为体外预应力钢筋(5)的有效预应力，h_p为底板外的体外预应力钢筋(5)的合力点至顶板的距离，M₁为单跨预制箱梁段(1)加固前的弯矩，M₀为单跨预制箱梁段(1)加固后的弯矩，M_p2为体外预应力束的二次效应产生的弯矩；

步骤202、根据公式

进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，其中，γ₀为预制箱梁桥体结构的重要性系数，M_d为单跨预制箱梁段(1)弯矩设计值，f_cd为混凝土轴心抗压强度设计值，x为混凝土截面受压区高度，f'_sd为非预应力钢筋抗压强度设计值，A'_s为单跨预制箱梁段(1)受压区纵向非预应力钢筋的截面面积，f'_pd为体外预应力钢筋(5)抗压强度设计值，σ'_p0为受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力，A'_p为受压区纵向预应力钢筋的截面面积，a'_p为预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离，f_sd为非预应力钢筋抗拉强度设计值，A_s为单跨预制箱梁段(1)受拉区纵向非预应力钢筋的截面面积，f_pd为预应力钢筋抗拉强度设计值；σ_st为在作用频遇组合下单跨预制箱梁段(1)抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

M_s为按作用频遇组合计算的弯矩值，W₀为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，σ_pc为扣除全部预应力损失后的预加力在单跨预制箱梁段(1)抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力，f_tk为混凝土的抗拉强度标准值，σ_lt为在作用准永久组合下单跨预制箱梁段(1)抗裂验算截面边缘混凝土的法向拉应力且

其中，M_l为结构自重和直接施加于结构上的汽车荷载、人群荷载、风荷载按作用准永久组合计算的弯矩值；

当

成立时，输出体外预应力钢筋用量n以及单束体外预应力钢筋的面积；

当

不成立时，重新计算单束的体外预应力钢筋(5)的面积A_pd和体外预应力钢筋(5)的用量n，并对其进行体外预应力束抗弯承载能力验算和结构抗裂性验算，直至满足要求；

步骤三、确定混凝土加厚加固段的长度、厚度和高度，过程如下：

步骤301、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段(1)的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段(1)折减后的抗剪力F^z；

当F^z≥γ₀V_d时，得到混凝土加厚加固段的长度C＝C₀、厚度H＝h_min和高度G＝0.8(h₁-h'_f)，其中，V_d为剪力设计值，C₀为长度常量且C₀取1m～2m，h_min为体外预应力钢筋(5)锚固最小间距且h_min＝8cm；

当F^z＜γ₀V_d时，执行步骤302；

步骤302、利用结构设计有限元分析软件获取剪力折减后的单跨预制箱梁段(1)的剪力包络图，获取单跨预制箱梁段(1)剪力不满足要求的梁段长度，根据公式C＝C₁+C₂，计算混凝土加厚加固段的长度C，其中，C₁为单跨预制箱梁段(1)剪力不满足要求的梁段长度，C₂为长度余量；

根据公式H⁰≥h_min，计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰；

根据公式G＝0.8(h₁-h'_f)，计算混凝土加厚加固段的高度G；

步骤303、以H⁰＝h_min给定混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰的初值，根据公式

进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，其中，V_cs为配置预应力钢筋斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值且

α₁为异号弯矩影响系数，α₂为预应力提高系数，α₃为受压翼缘的影响系数，b为配置预应力钢筋斜截面内剪压区对应正截面处的矩形截面宽度，P为配置预应力钢筋斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，f_cu.k为单位混凝土立方体抗压强度标准值，ρ_sv为斜截面内箍筋配筋率，f_sv为箍筋的抗拉强度设计值，ρ_pv为斜截面内竖向预应力钢筋配筋率，f_pv为竖向预应力钢筋的抗拉强度设计值；

V_sb为与斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_sb＝0.75×10^-3f_sd∑A_sbsinθ_s，A_sb为斜截面内在同一弯起平面的普通弯起钢筋的截面面积，θ_s为斜截面剪压区对应正截面处普通弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb为与斜截面相交的体内预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb＝0.75×10^-3f_pd∑A_pbsinθ_p，θ_p为斜截面剪压区对应正截面处体内预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

V_pb.ex为与斜截面相交的体外预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值且V_pb.ex＝0.75×10^-3∑nA_pd·σ_pesinθ_ex，θ_ex为斜截面剪压区对应正截面处体外预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角；

当

成立时，即为H＝h_min，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h'_f)；

当

不成立时，重新计算混凝土加厚加固段的预定厚度H⁰，并对其进行混凝土加厚加固段抗剪承载能力验算和抗剪截面验算，直至满足要求，获取H⁰≥h_min条件下混凝土加厚加固段的预定厚度最小值，即为H⁰＝h_min+h_Δ，C＝C₁+C₂，G＝0.8(h₁-h'_f)，其中，h_Δ为混凝土加厚厚度；

步骤304、保持混凝土加厚加固段靠近梁支撑端一侧厚度为预定厚度H⁰，对混凝土加厚加固段的预定厚度进行逐渐削薄，使混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度为h_min；

步骤305、利用结构设计有限元分析软件获取组合加固结构的剪力包络图，检验组合加固结构剪力是否满足要求，当组合加固结构剪力满足要求时，执行步骤四；当组合加固结构剪力不满足要求时，增大混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度，即混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度介于h_min和H⁰之间，且组合加固结构剪力满足要求的最小值，介于h_min和H⁰之间的值作为混凝土加厚加固段远离梁支撑端一侧厚度的最终值；

步骤四、预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固,过程如下：

步骤401、在混凝土加厚加固段(6)所在预制箱梁位置处开设有剪力槽组，所述剪力槽组靠近梁支撑端一侧设置；

步骤402、在混凝土加厚加固段(6)所在预制箱梁位置处靠近梁支撑端一侧固定锚固端钢板(4)；

步骤403、将步骤二确定的体外预应力束呈对称结构布设在单跨预制箱梁段(1)的底部和侧部，体外预应力钢筋(5)的端部与锚固端钢板(4)锚固连接；

步骤404、支设步骤三确定的混凝土加厚加固段(6)结构所用模板，对体外预应力束进行预应力张拉，并浇筑混凝土，混凝土浇筑注入剪力槽内，形成抗剪块(3)，多个抗剪块(3)均与混凝土加厚加固段(6)浇筑为一体；

步骤405、安装减震装置(7)；

步骤406、待混凝土强度达到设计强度后拆模。

2.按照权利要求1所述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述剪力槽组包括多个剪力槽(2)，抗剪块(3)设置在剪力槽(2)内。

3.按照权利要求1所述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述体外预应力束的中部通过多个减震装置(7)固定在单跨预制箱梁段(1)上，多个减震装置(7)呈等间距设在所述体外预应力束上。

4.按照权利要求1所述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述单跨预制箱梁段(1)的跨中设置有跨中横隔板(8)。

5.按照权利要求1所述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述长度余量C₂＝C₁。

6.按照权利要求1所述的一种预制箱梁的体外预应力与增大截面组合加固方法，其特征在于：所述混凝土加厚加固段(6)和锚固端钢板(4)无缝连接。

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