[发明专利]一种预应力混凝土箱梁桥的体外预应力加固方法

说明书

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。