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(shí)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(duì)公路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁病害的調(diào)查，從總的趨勢(shì)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(shí)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(dòng)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(diǎn)，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(diǎn)。橫張預(yù)應(yīng)力加固作為一種可以克服上述缺點(diǎn)的技術(shù)在工程實(shí)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(qǐng)?zhí)?201010275479.1，公布號(hào) 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(duì)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(jià)較低和施工方便的優(yōu)點(diǎn)，但是該種方法存在的不足之處并不利于其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）錨固點(diǎn)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(diǎn)處在橋梁運(yùn)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(qiáng)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(shí)處置腹板豎向裂縫和頂板縱向裂縫。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)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(diǎn)，又依靠可以縱、橫向拼接的橫張預(yù)應(yīng)力單元實(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元，兩預(yù)應(yīng)力單元的兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)方向所需要的預(yù)應(yīng)力單元個(gè)數(shù)以及拼接方案；

第二步，按照設(shè)計(jì)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元的四個(gè)錨固塊與對(duì)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(jì)距離，從而獲得索內(nèi)的預(yù)應(yīng)力；

第五步，對(duì)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(shí)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(diǎn)可體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(shí)際橋梁的具體裂縫情況，可以在縱向、豎向或橫向單個(gè)斷面上設(shè)置多個(gè)預(yù)應(yīng)力單元，實(shí)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(duì)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(shí)在箱梁內(nèi)部重新澆筑錨固塊的繁瑣。同時(shí)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(diǎn)變形、構(gòu)造復(fù)雜等缺點(diǎn)。

（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(duì)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元時(shí)的安裝示意圖。

圖3是縱向采用多個(gè)預(yù)應(yīng)力單元時(shí)的安裝示意圖。

圖4是本發(fā)明單個(gè)預(yù)應(yīng)力單元張拉力計(jì)算用簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元組成，預(yù)應(yīng)力單元包括左右間隔對(duì)稱設(shè)置的兩組（四個(gè)）帶有預(yù)應(yīng)力束孔道1的錨固塊2，四個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元，圖2所示的就是橫向采用多個(gè)預(yù)應(yīng)力單元時(shí)的安裝示意圖：兩預(yù)應(yīng)力單元的兩個(gè)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(gè)定位槽板9之間穿設(shè)有輔助調(diào)整螺桿10，延伸出兩個(gè)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(gè)方向所需要的預(yù)應(yīng)力單元個(gè)數(shù)以及拼接方案；同時(shí)確定如圖4所示每個(gè)橫向預(yù)應(yīng)力單元中各個(gè)預(yù)應(yīng)力筋的張拉力。以單個(gè)預(yù)應(yīng)力單元為例，張拉力的計(jì)算方法如下：

1、張拉控制應(yīng)力σ_con的計(jì)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(jì)算：假定在預(yù)緊狀態(tài)下錨固點(diǎn)到單根鋼束中點(diǎn)距離為h，初始索長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)算

在本橫張預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)中需計(jì)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(zhǎng)度管道軸線局部偏差的摩擦系數(shù)（1/m）；

x—管道累計(jì)長(zhǎng)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(jì)算總長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)度中點(diǎn)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(jì)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(gè)預(yù)應(yīng)力單元的四個(gè)錨固塊2與對(duì)應(yīng)的錨栓固連（在工廠加工錨固塊2時(shí)，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(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(duì)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(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力值調(diào)整。