CN1302346A - 外部预应力加强装置的端部承载支承型锚固方法和设备 - Google Patents

Abstract

外部预应力加强装置的端部承载支承型锚固方法和设备,用以维修和加强被严重损坏的混凝土结构,例如因弯曲或下垂而产生了裂缝的桥梁或桥墩等混凝土结构。肋板(60)装于端板(69)的延长线上并与端板(69)焊接在一起,以使与位于主梁(68)端部的端板(69)相接触的混凝土能够承载外部钢丝(67)的拉力。这样,由于可以使用少量的短锚栓(63),因此可以避免对原有结构的损坏。通过确保端部的焊接长度,可以提高负载能力。此外,因锚固板(61)与端板(69)之间的角部处出现应力集中而导致受损的可能性降低了。

Description

外部预应力加强装置的端部承载支承型锚固方法和设备

技术领域

本发明涉及一种外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备，用以维修和加强被严重损坏了的混凝土结构，例如因弯曲或下垂而产生了裂缝的桥梁或桥墩等混凝土结构，特别是涉及这样一种外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备，其中肋板装于端板的延长线上并焊接在端板上，以使与位于主梁端部的端板相接触的混凝土能够承载外部钢丝的拉力。这样，肋板与端板之间的焊接强度的增大将导致负载能力的提高。此外，作为传统端部承载支承型锚固方法中薄弱部位的端部焊接部分的强度可以提高。

技术背景

对于所有框架结构，随着时间的流逝，承载能力将下降而使用寿命将缩短。此外，随着工业发展，大型车辆和重载卡车的数量逐渐增多，因而对桥梁的损坏日益严重。目前，由于大多数桥梁是能够承载32吨总重量的Ⅱ级桥梁，因此因经过车辆的重量超过承载能力而引起的桥梁损坏逐渐增多，这将导致桥梁坍塌。

为了防止上述情况发生，强烈希望研制出有效和经济的修复/加强方法，以提高现有桥梁的承载能力，从而使现有桥梁成为Ⅰ级桥梁并能够承载43吨总重量。作为解决上述问题的方法，现有甲板改造法、钢板加强法以及外部钢丝加强法。

在甲板改造法中，高强度混凝土在现有桥梁的甲板完全取下后被使用。然而，甲板改造法未被广泛采用，这是因为建筑成本和人工耗费巨大，而且甲板改造的建造周期太长。此外，在建造过程中交通会被完全阻塞。

钢板加强法曾被用于大部分的桥梁和桥墩。然而，由于所用材料的安全质量问题以及保养和管理问题，最近这种方法的使用减少了。另外，尽管采用了诸如碳纤维等高强度和高弹性材料的加强方法逐渐增多了，但将它们实施到桥梁中仍很少见。

与上述各方法不同的是，外部钢丝法是一种利用外部钢丝加强现有结构的方法，该方法由于在结构的适应性和加强效率等方面具有优势而被广泛用于加强各种结构。该方法所用的钢丝通常根据锚固装置的结构而分为四种类型，并被广泛用于加强各种结构。然而，锚固方法是有问题的。即该方法不稳定，需要很高的压力，或者由于结构复杂而无法设计锚固装置。

下面将简要描述传统类型的锚固装置。在利用外部预应力加强方法加强现有桥梁时，各种类型的锚固装置被采用，以将外部钢丝的拉力传递到结构上。

上述锚固装置通常可以分为四种类型，即剪力支承型、端部承载支承型、摩擦支承型和混合支承型。根据锚固装置的结构和安装位置，锚固方法在负载传递原理方面差别很大。在用于实际结构时，各种锚固方法的特征和优缺点如下所述。

在图1所示的剪力支承型中，PS(预应力)钢丝17的拉力P被锚栓13的剪力V_an支承着。随着拉力P增大，需要增加锚栓13的数量。

在建造过程中，一个锚固板11被制出，并且在原有PS混凝土主梁18上进行凿孔操作以加工出孔。锚栓13被插入孔中，以固定锚固板11。锚固板11与混凝土之间的间隙中被充入环氧树脂，而且锚固装置14和15被安装，而钢丝17被张紧。

负载是以下面的方式传递的。当钢丝管16中的钢丝17被张紧时，拉力P通过锚固装置14和15而施加到横向锚固板12和肋板10上。拉力被传递到沿着锚固板11安装在混凝土上的锚栓13上并被锚栓13的剪力V_an支承。

这种方法的优点是材料容易购买而且建造简便。然而，该方法具有下列缺点。

第一点，在为安装锚栓而进行凿孔操作时，现有混凝土结构中的钢丝17或锚固装置可能会被损坏，因而原有结构的承载能力会受损。此外，PS混凝土主梁的端部由于形成了孔因而会在应力集中处受到破坏，而且随着混凝土强度减弱，锚栓可能被拔出。这样，由于锚栓的剪力承载能力取决于混凝土强度，因此质量管理或设计较为困难。另外，由于无法检测现有结构中的混凝土强度，因此与强度测量有关的可靠性降低了。

第二点，因第一种缺点而导致的锚栓安装限制会对可用拉力构成限制。由于大部分拉力是由锚栓以剪力支承型式支承的，因此当现有主梁因安装锚栓而受损或混凝土的质量无法精确评估时，锚栓的安装应当节制。因此，拉力的传递受到限制。

第三点，由于需要大量的锚栓以锁紧拉力，因此锚固装置的尺寸将增大。当锚栓在预定距离上安装后，锚栓可以获得所需的剪力。当安装的锚栓之间的间隔小于预定距离时，锚栓的剪应力必须利用相应的缩减系数而重新计算。这样，随着拉力增加，需要大量的锚栓而锚栓之间的间隔也必须保障，因而锚固板的尺寸要相应地增大。因此，这种方法不能用于面积较小的主梁。

第四点，虽然锚栓的承载能力与锚栓直径成正比，但由于每个锚栓的承载能力是大约2-3吨，因此必须采用足够多的锚栓并带有适宜的间隔，以确保外部预应力所需的承载能力。这是出于与前面所述的增大锚固板尺寸相同的原因。

在图2所示的摩擦支承型中，一个大的压力通过PS钢棒29的固定螺栓而施加到一个锚固板21上，而PS钢丝27的拉力P则被锚固板21与原有结构之间因上述压缩力而产生的剪切摩擦力支承着。一般来说，钢棒29以大约40吨的平均拉力张紧于锚固装置与PS混凝土主梁之间。

根据结构的量级，锚固板21被制作出来，而PS混凝土主梁上将加工出孔。钢棒29插入孔中，并将锚固板21安装好。锚固板21与混凝土之间的空间中被充入环氧树脂，以形成密封。锚固装置25被安装并张紧。

在负载传递过程中，当钢丝管26中的钢丝27被张紧时，由于不像其他方法中那样带有锚固板和肋板，因此拉力P将直接施加到用于固定锚固装置的锚固板上。拉力P被钢棒产生的摩擦力支承着。

这种方法的特征在于，当一个主梁与下一个主梁之间的间隔较小而无法利用端部承载支承型方法进行建造时，可以利用这种方法进行建造。此外，这种方法是美观且小巧的。

然而，上述方法具有下列缺点。

第一点，PS钢棒的成本较高，而且必须采用专用技术以安装PS钢棒。对于承载拉力的装置，与拉力相应的数十吨压力需要施加到锚固板上，因此钢棒和螺栓必须以特殊方式制作。此外，为了施加大约40吨的拉力，需要进行紧固操作或使用专用设备。另外，由于在螺栓紧固时力矩与因紧固而获得的压力的大小不是以预定的比例增加，因此无法相对于张紧力而精确地计算压力。

第二点，由于张紧件的最终锚固位置不能延伸到桥墩上，因此需要检查锚固装置与支撑点之间的应力分布和稳定性。这是由于在完全接受压力的状态下，在拉伸钢棒所在孔的周围将产生拉应力或者可能出现应力变形现象。

在端部承载支承型中，端板39和锚固板31在PS混凝土的端部被安置成“[”形，以使混凝土表面接触一个用于将外部钢丝37张紧的端板39。如图3所示，与前面所述的剪力型不同，锚固板31的尺寸以及锚固螺栓的数量和长度减少了。这样可以在PS混凝土的端部接受拉力。

根据结构的量级，锚固板31被制作出来，而PS混凝土主梁上将加工出孔。锚固螺栓33插入孔中，并将锚固板31安装好。关于这一点，由于锚固螺栓仅用于在建造过程中将锚固板31固定在相应位置上，因此不用象剪力支承型那样将孔加工得太深。接下来，端板39被焊接到锚固板31上，而锚固板31与端板之间的空间被充入环氧树脂，以形成密封。最后，锚固装置34和35被安装，而钢丝管36中的钢丝37被张紧。

在负载传递过程中，当钢丝37被张紧时，拉力P将施加到横向锚固板32上而且力会传递到肋板30和锚固板31上，与剪力支承型中类似。然而，随后的过程则与支承型中的不同。也就是说，施加到锚固板31上的力通过锚固板31而传递到端板39上，而力最终将被与端板39相接触的混凝土主梁f_c支承。在这种方法中，当拉力在上述负载传递过程中通过锚固板31而到达端板39时，会有很高的应力施加到锚固板31与端板39之间的角部上，从而使焊接部分脱开，如图4所示。也就是说，当拉力施加到锚固板31上时，端板39将变形而拉伸裂纹将产生在锚固板31与端板39之间的焊接部分内表面上，而焊接部分会被损坏。

这种方法的优点是所用材料购买容易且建造简便，而且外部钢丝的作用将均匀地分布在整个有效跨度上。

然而，上述方法具有下列缺点。

第一点，PS混凝土主梁端部的角部焊接部分受损的可能性较大。PS混凝土主梁端部是现有钢丝集中的地方并因此而汇聚了很高的应力。因此，组合在PS混凝土主梁端部的加强棒较多。然而，当有强大压力施加到端部时，易于出现局部损坏。此外，有一个凹陷部分用以掩蔽位于PS混凝土主梁端部的拉力安装装置，该凹陷部分在张紧操作结束后将用普通水泥砂浆填充。然而，由于在很多情况下填充状态较差，因此在外部钢丝施加了强大压力后，可能会产生裂纹。为了解决裂纹产生问题，混凝土结构与端板和锚固板之间的空白空间应当被充入环氧树脂等材料。

第二点，建造的实施受到限制。也就是说，由于在PS混凝土主梁端部存在至少3cm的可用间隙时才能使用这种方法，因此当PS混凝土主梁顺序布置或主梁间的间隔狭窄时，难以保证端板有足够的厚度。

第三点，桥梁的余隙受到限制。一个PS混凝土主梁与下一个PS混凝土主梁之间的间隔被设计得能够吸收因温度升高而引起的膨胀。然而，当用于锚固的钢铁结构插入间隔中后，用于吸收PS混凝土主梁膨胀的空间就相应缩小了。因此，上述方法仅适用于主梁间隔为3cm或以上的情况。

最后将描述组合了剪力支承型和端部承载支承型的混合支承型。混合支承型是因为上述缺点难以补偿而设计的，因此这种方法仅仅是将上述各方法适宜地组合起来以期望获得相互补偿作用，而非合乎逻辑的解决方法。

根据结构的量级，锚固板51被制作出来，而PS混凝土主梁上将加工出用于安装锚栓53的孔，如图5所示。需要安装在主梁中央的钢棒53′只能在主梁中有孔的情况下安装，又由于几乎不能加工新孔，因此在很多情况下不能安装钢棒53′。在安装了锚栓53后，锚固板51和端板59被固定和焊接。最后，锚固装置54和55被安装，而钢丝管56中的钢丝57被张紧。

这种方法的负载传递过程类似于上述剪力支承型和端部承载支承型，因为这种方法是上述两种方法的组合。也就是说，负载通过肋板50和锚固装置52而传输到端板59和锚固板51上，但不同之处是在负载传递过程中锚栓53和混凝土最终均将接收拉力P。

组合了多种锚固方法的混合支承型可以提高总体承载能力。然而，该方法具有下列缺点。

第一点，各种支承类型不能同时操作。在用作端部支承的端板59充分变形后而锚固板51前进时，剪力将作用在锚栓53或钢棒53′上。由于锚固板51中形成的锚栓孔的尺寸大于锚栓自身的尺寸，又由于直至产生了1-2mm内或以下的变形后才会有剪力作用在螺栓上，因此几乎不会同时发生剪力支承和端部承载支承作用。这样，混合支承型的总承载能力并不等于各支承力的总和，而是次序利用每个锚固装置的承载能力的。因此，在计算这种混合支承型的锚固力时，将每种方法的承载能力简单地相加将导致承载能力结果过大，并可能损坏锚固设备。此外，由于难以计算每种锚固方法的负载分配比率，因此几乎不能设计锚固装置。

第二点，由于用于移动PS混凝土主梁的孔大多数布置在不能插入钢棒的位置上，例如在主梁的下部或上部，因此在大多数情况下无法安装钢棒。

第三点，由于要安装锚栓，因此原有结构可能会被损坏，类似于剪力支承型。也就是说，由于锚栓的插入深度应足够大以使锚栓具有预期的剪力，因此原有结构，特别是内部钢丝或锚固设备的损坏就不可避免了。

如上所述，在采用外部钢丝的传统锚固技术中，会在主梁端部的角部上产生应力集中或裂纹。此外，锚栓的安装不便，而桥梁的主要部件可能会在锚栓安装时受损。另外，由于难以计算每个部分的负载分配比率，因此锚固装置的设计非常困难。

本发明的公开物

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种改进了的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备，其中肋板装于端板和锚固板上，以减轻钢丝张紧时产生在锚固设备端部的角部上的应力集中，从而防止锚固设备端部受损。

本发明的另一个目的是提供一种改进了的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备，其中锚固装置可以容易地在小空间中安装，而且在建造过程中对现有桥梁的损坏可以最小化。

因此，为了实现上述目的，提供了一种外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备，其中一个锚固板通过一个锚栓而附装在PS混凝土主梁上，一个端板在上述PS混凝土主梁的端部焊接在上述锚固板上，一个横向锚固板安装在上述锚固板上，而且一根外部钢丝通过一个支撑在上述横向锚固板上的锚固装置而被张紧，其特征在于，至少一个或多个矩形肋板装于上述端板的延长线上，而且上述肋板与上述端板焊接在一起。

这样，通过将肋板附加焊接在在作为传统端部承载支承型锚固方法中薄弱部位的端部上，承载能力可以提高。

附图简述

图1是用于解释外部预应力加强装置的传统剪力支承型锚固方法的俯视图；

图2是用于解释外部预应力加强装置的传统摩擦支承型锚固方法的前视图；

图3是用于解释外部预应力加强装置的传统端部承载支承型锚固方法的俯视图；

图4是图3中的端板与锚固板彼此接触部分的视图；

图5是用于解释外部预应力加强装置的组合了剪力支承型和端部承载支承型的传统混合支承型锚固方法的俯视图；

图6是用于解释根据本发明的改进了的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法的俯视图；

图7是图6的前视图；以及

图8是根据图6中的端部承载支承型锚固方法的焊接部分详细透视图。

本发明的最佳实施模式

请参考图6和7，在根据本发明的改进了的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法中，一个肋板60装于一个端板69的延伸线上，以使位于一个钢丝管66中的外部钢丝67上的拉力P被与端板69相接触的混凝土接收，该端板安置在一个PS混凝土主梁68的端部。这样，随着肋板60与端板69之间的焊接长度的增加，承载能力也将提高。此外，作为传统端部承载支承型中薄弱部位的端部焊接部分的强度也提高了。另外，因端部焊接部分的重量所引起的变形也得到了改进。关于这一点，如图8所示，至少一个或多个肋板60可以垂直于一个锚固板61安装。

基于本发明的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固设备被这样设计，即端板69和锚固板61在PS混凝土主梁68的端部被安置成“[”形，以使与端板69相接触的混凝土表面承受外部钢丝67的拉力P。如图6所示，与传统端部承载支承型不同的是，肋板60被焊接在锚固板61和端板69上，以使接收负载的焊接部分显著增大。

根据结构的量级，锚固板61被制作出来，而PS混凝土主梁68上将加工出孔。短锚栓63安置在主梁68的端部，而端板69和锚固板61被焊接起来。关于这一点，焊接在锚固板61上的肋板60将被焊接到端板69上，从而完成组装。之后，端板69与混凝土之间以及锚固板61与混凝土之间的空间被充入环氧树脂，以形成密封。关于这一点，环氧树脂的注射是很重要的，因为如果存在小间隙，在拉力起作用时，混凝土将在空间中出现变形，而裂纹将产生。最后，锚固装置64和65以及横向锚固板62被安装，而钢丝管66中的钢丝67被张紧，从而完成建造。

在本发明中，一个很大的优点是，由于锚栓63只保持着锚固板61，直至锚固板被环氧树脂固定，因此可以使用长度为10cm或以下的螺栓，以防止钢丝67受损。在本发明中未使用钢棒的原因是，如果像传统混合支承型中那样在锚固设备的端部安装钢棒，则安装操作本身只能在PS混凝土主梁的搬运孔位于主梁的中央位置时才可以进行。然而，由于在大多数情况下搬运孔实际上位于主梁的下部，而有时并未加工出搬运孔，因此无法安装钢棒。

在本方法的负载传递过程中，当钢丝67张紧后，拉力P将施加到横向锚固板62上，如传统混合支承型中那样，而力会被肋板60、锚固板61和端板69分担。也就是说，施加到锚固板61上的力将通过锚固板61和肋板60而到达端板69，而力最终将被与端板39相接触的混凝土主梁f_c支承。在本发明中，从负载传递过程可以看到，拉力将通过锚固板61而传递到端板69上，而如图8所示焊接部分被加长了，因此承载能力提高了，而且产生在端板69与锚固板61之间角部上的拉应力减小了。由于拉应力的减小将降低拉应力产生的可能性，因此可以防止因裂纹产生而导致的锚固设备损坏。

如图8所示，与传统端部承载支承型不同的是，肋板的形状是矩形的，因此与端板相接触的焊接部分是直线的，由于根据本发明的肋板60是矩形的而端板69被加长，因此这个部分的焊接长度增大了，而锚固设备的承载能力也相应地提高了。在传统端部承载支承型中锚固板与端板会合的角部处将出现应力集中，而在本发明中，这种应力集中会被延伸于端板69与锚固板61之间以及端板69与肋板60之间的焊接部分分担。

如上所述，在根据本发明的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备中，由于可以使用短锚栓，因此可以避免对原有结构中的钢丝或锚固设备的损坏。又由于可以在确保端部焊接长度的前提下施加锚固力，因此可以进行设计。此外，锚固装置可以被制作得小型和轻质，这是传统端部承载支承型锚固方法的一个优点，而且可以防止因锚固板与端板之间的角部处出现应力集中而导致的锚固设备受损，而这是传统端部承载支承型锚固方法的一个缺点。另外，由于焊接部分的形状不是一个平面，因此当锚固板与端板之间的角部处出现损坏时，会以最大限度出现变形，而裂纹将产生在肋板的焊接部分，从而可以观察到它们的出现以便于维修。此外，由于锚固力的增大意味着可以施加强大的拉力，因此如果需要的话可以通过预张紧过程而提高拉力。根据本发明，材料购买以及建造可以简化，而外部钢丝的作用可以均匀地施加在整个有效跨度上。

工业应用性

根据本发明的外部预应力加强装置端部承载支承型锚固方法和设备采用了改进的端部承载支承型方法并且可以用于加强桥梁或桥墩。特别是，安装容易，对现有桥梁或桥墩的损坏可以最小化，而且加强操作可以在小空间中进行。

Claims (2)

1．一种外部预应力加强装置的端部承载支承型锚固方法，其中一个锚固板通过一个锚栓而附装在PS混凝土主梁上，一个端板在上述PS混凝土主梁的端部焊接在上述锚固板上，一个横向锚固板安装在上述锚固板上，而且一根外部钢丝通过一个支撑在上述横向锚固板上的锚固装置而被张紧，其特征在于，至少一个或多个矩形肋板装于上述端板的延长线上，而且上述肋板与上述端板焊接在一起。

2．一种外部预应力加强装置的端部承载支承型锚固设备，其中一个锚固板通过一个锚栓而附装在PS混凝土主梁上，一个端板在上述PS混凝土主梁的端部焊接在上述锚固板上，一个横向锚固板安装在上述锚固板上，而且一根外部钢丝通过一个支撑在上述横向锚固板上的锚固装置而被张紧，其特征在于，至少一个或多个矩形肋板装于上述端板的延长线上，而且上述肋板与上述端板焊接在一起。

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