本發(fā)明涉及公路和市政橋梁加固技術(shù)，尤其是涉及解決混凝土箱梁出現(xiàn)豎向、橫向、斜向等裂縫時使用的一種新型體外預(yù)應(yīng)力加固裝置，本發(fā)明還涉及使用該加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)對公路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁病害的調(diào)查，從總的趨勢來看，跨徑大于60m的箱梁極易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，不同的橋梁只是裂縫性質(zhì)、開裂部位和輕重程度有所不同。而混凝土箱梁上的裂縫極少出現(xiàn)單一裂縫形態(tài)的情況，通常情況下是多種裂縫形態(tài)并存。當(dāng)這些裂縫發(fā)展到一定程度之后，橋梁將不能滿足使用要求，需要及時進(jìn)行加固處理，以恢復(fù)使用功能。

目前常用的混凝土橋梁加固技術(shù)中，體外預(yù)應(yīng)力加固作為一種主動加固技術(shù)具有能夠減少梁體下?lián)霞胺忾]混凝土裂縫的優(yōu)點，但該技術(shù)也存在著施工復(fù)雜、操作空間要求較高的缺點。橫張預(yù)應(yīng)力加固作為一種可以克服上述缺點的技術(shù)在工程實踐中也得到了一定的應(yīng)用，例如在發(fā)明專利《混凝土梁板橫向張拉環(huán)氧涂層鋼筋有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固方法》（申請?zhí)?201010275479.1，公布號 CN 101929131 A）中就提出了一種橫向張拉技術(shù)，以環(huán)氧涂層鋼筋替代鋼絞線或普通熱軋鋼筋作為橫張預(yù)應(yīng)力筋對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，雖然該方法相比現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)具有造價較低和施工方便的優(yōu)點，但是該種方法存在的不足之處并不利于其在工程實踐中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）錨固點不牢靠。該方法中將預(yù)應(yīng)力鋼筋與預(yù)先錨固在梁上的鋼板進(jìn)行焊接，該焊接點處在橋梁運營過程中容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象而導(dǎo)致失效，從而使梁體上施加的預(yù)應(yīng)力喪失。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋不易更換。該方法中將橫張預(yù)應(yīng)力直接焊接在錨固鋼板上，在預(yù)應(yīng)力鋼筋出現(xiàn)損壞的情況下不容易進(jìn)行更換。

（3）不能施加較大的預(yù)應(yīng)力。由于鋼筋強度以及張拉設(shè)備的限制，不能施加較大的預(yù)應(yīng)力。

（4）只適合解決平面裂縫問題。該方法主要用于腹板豎向裂縫的處理，難以同時處置腹板豎向裂縫和頂板縱向裂縫。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種新型體外預(yù)應(yīng)力加固裝置，本發(fā)明還提供使用該加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法。本發(fā)明的體外預(yù)應(yīng)力加固方法既保留了橫向預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)點，又依靠可以縱、橫向拼接的橫張預(yù)應(yīng)力單元實現(xiàn)在混凝土箱梁內(nèi)形成三向預(yù)應(yīng)力體系及在不同位置施加不同預(yù)應(yīng)力度的目的。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的新型體外預(yù)應(yīng)力加固裝置，包括錨固在混凝土橋梁病害區(qū)域周邊的預(yù)應(yīng)力加固件，所述預(yù)應(yīng)力加固件由多個預(yù)應(yīng)力單元組成，所述預(yù)應(yīng)力單元包括左右間隔對稱設(shè)置的兩組帶有預(yù)應(yīng)力束孔道的錨固塊，兩組錨固塊之間的連線呈矩形結(jié)構(gòu)；在每組錨固塊之間分別設(shè)置有單元預(yù)應(yīng)力束，所述單元預(yù)應(yīng)力束的兩端分別從該錨固塊上的預(yù)應(yīng)力束孔道內(nèi)穿出并固定，在兩根單元預(yù)應(yīng)力束的中部分別卡固有定位槽板，在兩個所述定位槽板之間穿設(shè)有預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿，延伸出兩個所述定位槽板之外的預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿上旋擰有調(diào)整螺母。

若病害區(qū)域較大，則需要安裝多個預(yù)應(yīng)力單元，兩預(yù)應(yīng)力單元的兩個相鄰錨固塊之間分別設(shè)置有連接預(yù)應(yīng)力束，在所述連接預(yù)應(yīng)力束的中部分別卡固有輔助定位槽板，在兩個所述輔助定位槽板之間穿設(shè)有輔助調(diào)整螺桿，延伸出兩個所述定位槽板之外的錨固螺桿上旋擰有輔助調(diào)整螺母。

使用本發(fā)明的加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法包括下述步驟：

第一步，根據(jù)混凝土箱梁病害情況和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定沿縱向、豎向和橫向三個方向所需要的預(yù)應(yīng)力單元個數(shù)以及拼接方案；

第二步，按照設(shè)計位置，依次在箱梁的頂板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上植入錨栓，之后將單個預(yù)應(yīng)力單元的四個錨固塊與對應(yīng)的錨栓固連，并安裝預(yù)應(yīng)力單元內(nèi)的單元預(yù)應(yīng)力束、定位槽板、預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿和調(diào)整螺母；

第三步，安裝預(yù)應(yīng)力單元之間的連接預(yù)應(yīng)力束、輔助定位槽板、輔助調(diào)整螺桿及輔助調(diào)整螺母；

第四步，將預(yù)應(yīng)力單元的調(diào)整螺母和預(yù)應(yīng)力單元之間的輔助調(diào)整螺母旋進(jìn)設(shè)計距離，從而獲得索內(nèi)的預(yù)應(yīng)力；

第五步，對所有外露鋼構(gòu)件進(jìn)行防腐處理；

第六步，定期監(jiān)控單元預(yù)應(yīng)力束和連接預(yù)應(yīng)力束的數(shù)值，必要時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力值調(diào)整。

與現(xiàn)有橫張預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)相比，本發(fā)明加固裝置和施工方法的優(yōu)點可體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提供了解決多種裂縫形態(tài)的統(tǒng)一處置方案。本發(fā)明為單元式結(jié)構(gòu)，依據(jù)實際橋梁的具體裂縫情況，可以在縱向、豎向或橫向單個斷面上設(shè)置多個預(yù)應(yīng)力單元，實現(xiàn)在混凝土箱梁上施加兩向或三向預(yù)應(yīng)力。

（2）由于本加固件為單元式構(gòu)造，可以在箱梁的不同位置選擇不同的單元形式及張拉力大小。也就是說，可以在箱梁的不同位置施加有差別的預(yù)應(yīng)力度，更加有針對性的解決混凝土箱梁不同位置和不同危害程度的裂縫病害。

（3）根據(jù)具體加固的橋梁定制標(biāo)準(zhǔn)化的錨固裝置，避免了施工時在箱梁內(nèi)部重新澆筑錨固塊的繁瑣。同時本發(fā)明的預(yù)應(yīng)力單元可以在工廠內(nèi)完成預(yù)制，易于控制產(chǎn)品質(zhì)量及提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

（4）本發(fā)明依靠自平衡系統(tǒng)解決了橫張預(yù)應(yīng)力筋的固定問題，避免了常規(guī)橫張結(jié)構(gòu)的諸如錨點變形、構(gòu)造復(fù)雜等缺點。

（5）由于張拉件（預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿和調(diào)整螺母之間以及輔助調(diào)整螺桿和輔助調(diào)整螺母之間）的可調(diào)節(jié)性，可以方便對預(yù)應(yīng)力鋼束后期進(jìn)行預(yù)應(yīng)力調(diào)整。

（6）加固系統(tǒng)整體位于箱梁內(nèi)部，不影響橋梁外部景觀。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是橫向采用多個預(yù)應(yīng)力單元時的安裝示意圖。

圖3是縱向采用多個預(yù)應(yīng)力單元時的安裝示意圖。

圖4是本發(fā)明單個預(yù)應(yīng)力單元張拉力計算用簡圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的新型體外預(yù)應(yīng)力加固裝置，包括錨固在混凝土橋梁7裂縫位置處的預(yù)應(yīng)力加固件，本發(fā)明采用的預(yù)應(yīng)力加固件由多個預(yù)應(yīng)力單元組成，預(yù)應(yīng)力單元包括左右間隔對稱設(shè)置的兩組（四個）帶有預(yù)應(yīng)力束孔道1的錨固塊2，四個錨固塊之間的連線呈矩形結(jié)構(gòu)；在左側(cè)和右側(cè)兩個錨固塊之間分別設(shè)置有單元預(yù)應(yīng)力束3，單元預(yù)應(yīng)力束3的兩端分別從左側(cè)和右側(cè)的上、下兩個錨固塊2上的預(yù)應(yīng)力束孔道1內(nèi)穿出并固定，在兩根單元預(yù)應(yīng)力束3的中部分別卡固有定位槽板4，在兩個定位槽板4之間穿設(shè)有預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿5，延伸出兩個定位槽板之外的預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿5兩端旋擰有調(diào)整螺母6。

若箱梁的病害區(qū)域較大，則需要安裝多個預(yù)應(yīng)力單元，圖2所示的就是橫向采用多個預(yù)應(yīng)力單元時的安裝示意圖：兩預(yù)應(yīng)力單元的兩個相鄰錨固塊之間分別設(shè)置連接預(yù)應(yīng)力束8，在連接預(yù)應(yīng)力束8的中部分別卡固有輔助定位槽板9，在兩個定位槽板9之間穿設(shè)有輔助調(diào)整螺桿10，延伸出兩個定位槽板之外的錨固螺桿上旋擰有輔助調(diào)整螺母。

使用本發(fā)明加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法包括下述步驟：

第一步，根據(jù)混凝土箱梁病害情況和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定沿縱向、豎向和橫向三個方向所需要的預(yù)應(yīng)力單元個數(shù)以及拼接方案；同時確定如圖4所示每個橫向預(yù)應(yīng)力單元中各個預(yù)應(yīng)力筋的張拉力。以單個預(yù)應(yīng)力單元為例，張拉力的計算方法如下：

1、張拉控制應(yīng)力σ_con的計算

索的張拉控制應(yīng)力σ_con與固定螺母6旋進(jìn)距離s可按下列公式進(jìn)行計算：假定在預(yù)緊狀態(tài)下錨固點到單根鋼束中點距離為h，初始索長為l₀，調(diào)整螺母6旋進(jìn)距離為s，根據(jù)圖4中所示的幾何關(guān)系：

可得：

預(yù)應(yīng)力筋的伸長量：

預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力：

2、預(yù)應(yīng)力損失的計算

在本橫張預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中需計算三種預(yù)應(yīng)力損失：體外預(yù)應(yīng)力錨固端管道所產(chǎn)生的摩擦損失σ_l1，錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮和接縫壓密損失σ_l2，預(yù)應(yīng)力筋的松弛損失σ_l5。

（1）錨固端管道所產(chǎn)生的摩擦損失σ_l1：

式中：

k—單位長度管道軸線局部偏差的摩擦系數(shù)（1/m）；

x—管道累計長度（m）。

（2）錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮和接縫壓密損失σ_l2:

式中:

E_P,e—體外預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量；

Δl—錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮和接縫壓密值；

l—預(yù)應(yīng)力筋的計算總長度。

（3）鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失終極值σ_l5:

式中：

Ψ—張拉系數(shù)；

ζ—鋼筋松弛系數(shù)，普通松弛ζ=1；低松弛ζ=0.3；

σ_P,ei—傳力錨固是體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力，σ_P,ei=σ_con—σ_l1—σ_l2；

f_pk—體外預(yù)應(yīng)力筋的張拉標(biāo)準(zhǔn)值。

正常使用階段，體外預(yù)應(yīng)力筋的中的預(yù)應(yīng)力為σ_Pe,e=σ_con—σ_l1—σ_l2—σ_l5。因此每個預(yù)應(yīng)力單元在箱梁上建立的預(yù)加力為：

F_V=N_Pe,esinθ=σ_Pe,eA_ssinθ

F_H=N_Pe,ecosθ=σ_Pe,eA_scosθ

式中：

F_V—預(yù)應(yīng)力單元在箱梁內(nèi)建立的豎向力；

F_H—預(yù)應(yīng)力單元在箱梁內(nèi)建立的水平力；

N_Pe,e—傳力錨固是體外預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)力；

σ_P,ei—傳力錨固是體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力，σ_P,ei=σ_con—σ_l1—σ_l2—σ_l5；

θ—長度中點處預(yù)應(yīng)力筋與水平方向的交角；

A_s—預(yù)應(yīng)力束的截面面積；

第二步，按照設(shè)計位置，首先在箱梁7的頂板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上預(yù)先植入錨栓，之后將單個預(yù)應(yīng)力單元的四個錨固塊2與對應(yīng)的錨栓固連（在工廠加工錨固塊2時，可將預(yù)應(yīng)力束孔道1以焊接的方式固定在錨固塊2上，同時根據(jù)設(shè)計要求預(yù)制單元預(yù)應(yīng)力束3和定位槽板4；然后安裝單元預(yù)應(yīng)力束3（將單元預(yù)應(yīng)力束3的兩端穿入預(yù)應(yīng)力束孔道1并在預(yù)應(yīng)力束孔道1外通過錨具或直接焊接固定），定位槽板4、預(yù)應(yīng)力調(diào)整螺桿5和調(diào)整螺母6，一個預(yù)應(yīng)力單元安裝完成（如圖1所示）；重復(fù)上述步驟，將所有預(yù)應(yīng)力單元全部安裝完畢；

第三步，安裝預(yù)應(yīng)力單元之間的連接預(yù)應(yīng)力束8、輔助定位槽板9、輔助調(diào)整螺桿10及輔助調(diào)整螺母；圖2為橫向多個預(yù)應(yīng)力單元安裝示意圖，圖3為縱向預(yù)應(yīng)力單元安裝示意圖；

第四步，將預(yù)應(yīng)力單元的調(diào)整螺母6和兩預(yù)應(yīng)力單元之間的輔助調(diào)整螺母旋進(jìn)設(shè)計距離，從而獲得索內(nèi)的預(yù)應(yīng)力；

從圖2可以看出，如果將兩預(yù)應(yīng)力單元橫向連接，則預(yù)應(yīng)力單元通過橫向調(diào)整螺桿5和調(diào)整螺母6施加橫、豎向力，而兩預(yù)應(yīng)力單元之間的連接預(yù)應(yīng)力束9通過輔助調(diào)整螺桿11及輔助調(diào)整螺母施加橫、豎向力；

從圖3可以看出，如果將兩預(yù)應(yīng)力單元縱向安裝，則每個預(yù)應(yīng)力單元施加橫、縱向力，而兩預(yù)應(yīng)力單元之間的連接預(yù)應(yīng)力束8通過輔助調(diào)整螺桿10及輔助調(diào)整螺母施加橫、豎向力。

第五步，對所有外露鋼構(gòu)件進(jìn)行防腐處理；

第六步，定期監(jiān)控單元預(yù)應(yīng)力束3和橫向連接預(yù)應(yīng)力束9的數(shù)值，必要時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力值調(diào)整。