大跨度桥梁体外预应力加固方法 |
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| 申请号 | CN202311477904.9 | 申请日 | 2023-11-08 | 公开(公告)号 | CN117385776A | 公开(公告)日 | 2024-01-12 |
| 申请人 | 同创工程设计有限公司; | 发明人 | 张炜炜; 赵铁永; 王建锋; 冯群超; 赵文星; 周亮; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供一种大跨度 桥梁 体外预应 力 加固方法，属于维护或加固现有桥梁的方法技术领域。以桥梁主体为处理对象，先在桥梁的中横梁处设置锚固 块 ，在桥梁主体的弯矩变化处设置转向块，再沿跨度方向自锚固块牵出体外预 应力 钢 束，体外预应力钢束穿过转向块，末端固定于桥梁梁端，张拉体外预应力钢束至设计张拉力。将上述方案用于桥梁加固，可改善桥梁梁体结构的使用性和耐久性，适当改善梁体下挠病害和抗弯承载力等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.大跨度桥梁体外预应力加固方法，其特征在于：以桥梁主体为处理对象，先在桥梁的中横梁处设置锚固块，在桥梁主体的弯矩变化处设置转向块，再沿跨度方向自锚固块牵出体外预应力钢束，体外预应力钢束穿过转向块，末端固定于桥梁梁端，张拉体外预应力钢束至设计张拉力。 |
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| 说明书全文 | 大跨度桥梁体外预应力加固方法技术领域背景技术[0002] 大跨度桥梁一般如图1所示，由位于两端的引桥6和位于引桥6之间的多个中跨7构成，引桥6、中跨7的桥梁主体与地面之间以桥墩、承台、桩基等进行支撑。使用环境不同，配给的中跨7数量不同。大跨度桥梁满足了大多数山沟峡谷、大江大河等复杂地质的连通需求。但随着使用年限的增长，在地震、重载、初始制造缺陷等不利因素长期叠加下，桥梁逐渐出现疲劳开裂问题。这些疲劳开裂问题主要表现为主桥下挠严重、中跨7底板开裂，以及顶板、副板、墩顶等区域的不定向裂缝，桥梁结构构件的带裂缝工作削弱了其使用效能。 [0003] 为解决上述疲劳开裂问题，业内进行了一系列的加固研究。如： [0004] CN112813852A针对在役桥梁因墩柱倾斜导致的梁体滑移错位下沉，在抢粮上下部结构之间进行纠偏复位，对墩柱进行修复加固。CN113309015A针对纵肋对接焊缝的疲劳开裂常见加固方法易被动引入较多疲劳易损部位的问题，在焊缝两侧引入记忆材质的加固件，通过材料本身提供预应力，使裂缝闭合。CN202055185U针对碳纤维等纤维增强复合材料粘贴的方式加固大跨度桥梁所存在的施工困难问题，在桥墩之间加装钢绞线、滑轮、小钢架等，借助于小钢架和钢绞线对桥梁进行上抬，达到运送车通行、增强抗水流能力的目的。更有借助于剪力连接件与钢筋网(如CN109338907A)、张拉支架与千斤顶配合(如CN105862608A)、箱梁箱室内加装波形钢腹板构件(如CN104695339A)等方式进行在役桥梁的抗疲劳加固修复。 [0005] 上述加固方式虽然对于较为严重的、明显走向大裂痕起到了紧急强化的作用，但对裂纹方向不定、多样的横梁、顶板等桥梁主体裂痕的修复作用非常有限，而这些裂痕的存在恰恰是衡量桥梁承载能力的关键所在。上述裂痕、裂缝的存在，也是后期桥梁出现严重承载问题时的前兆所在，如何实现桥梁的预加固、避免出现问题时的紧急抢修，是本领域亟待解决的难题。发明内容 [0006] 有鉴于此，本申请提供一种大跨度桥梁体外预应力加固方法，不仅实现了桥梁特别是中跨多样性裂纹问题的修复，还改善了桥梁梁体结构使用性和耐久性，适当改善梁体下挠病害和抗弯承载力。 [0007] 具体地，本申请是通过以下方案实现的： [0008] 大跨度桥梁体外预应力加固方法，以桥梁主体为处理对象，先在桥梁的中横梁处设置锚固块，在桥梁主体的弯矩变化处设置转向块，再沿跨度方向自锚固块牵出体外预应力钢束，体外预应力钢束穿过转向块，末端固定于另一相邻桥梁中横梁的锚固块上，张拉体外预应力钢束至设计张拉力。 [0009] 上述以锚固块、体外预应力钢束和转向块构成大跨度桥梁的体外预应力加固构件，锚固块为桥梁主体的中间着力点，体外预应力钢束一端自锚固块牵出后，沿跨度方向(长度方向)在桥梁主体内穿行，并在经过弯矩变化处时，经转向块转向，最终将达到设计张拉力的体外预应力钢束末端固定在钢筋混凝土梁梁端处，设计张拉力对桥梁主体沿着跨度方向进行牵引，该牵引作用稳定持续的对其已有裂痕进行弥合；桥梁通行过程中，外力自桥梁表面直接转移到中横梁、桥梁主体的底板、顶板等部位处，这些作用力经锚固块转移到体外预应力钢束上，在设计张拉力的作用下，将该破坏作用沿着跨度方向进行消减，有效避免了裂缝的再次扩大。通过上述已有裂痕的弥合作用和避免再次扩大作用，实现了大跨度桥梁的体外预应力加固，使桥梁满足使用性和耐久性要求。 [0010] 进一步的，作为优选： [0011] 所述体外预应力钢束的张拉力采用分批张拉，先张拉至设计张拉力的50～60％，再张拉至设计张拉力。 [0012] 所述体外预应力钢束的安装方式如下： [0013] 步骤一，测定中横梁、底板处的钢筋分布情况，打磨锚固块、转向块的预设位置，清除碎屑，露出新鲜混凝土表面。 [0014] 步骤二，根据设计规格，在中横梁、底板相应位置开凿剪力槽，钻孔，并做孔口清理，形成植筋孔。 [0015] 步骤三，从植筋孔底部开始中注入植筋胶，并植入锚固块、转向块的相应钢筋。 [0016] 步骤四，待胶泥固化后(一般为20～60分钟)，布置钢束锚具，绑扎锚固横梁、转向块其余钢筋，形成钢筋骨架。 [0018] 步骤六，混凝土养护至设计强度的90％以上，装入体外预应力钢束，张拉预应力至设计张拉力。 [0019] 步骤七，装入剩余配件。 [0020] 上述还包括有粘贴钢条过程，所述桥梁顶板处出现裂痕的位置，以垂直裂痕方向粘贴钢条。更优选的，所述钢条粘贴步骤为：以高分子树脂灌注裂缝→清洗并平整粘贴部位表面，植入固定钢板的螺栓→打磨粘合面的钢板表层，并设灌浆孔→安装并固定加强钢板，保证钢板与混凝土表面的间隙在2～3mm，以确保灌注胶层的厚度在2～3m→钢板周围封边→通过灌浆孔无间隙压入粘钢胶→凝固，钢板防腐处理→外表面钢板缝隙用修补胶填平→涂装。 [0021] 所述体外预应力钢束套装有减震器。更优选的，所述减震器包括立柱、胶套和夹套，夹套通过立柱安装于桥梁主体的底板上，胶套为半圆形的两片，胶套位于夹套内，体外预应力钢束穿过两胶套形成的通孔。以半圆形的胶套与体外预应力钢束直接接触，胶套的弹性结构对桥梁运行中的震动作用进行缓冲，而非封闭式结构则为其形变提供更大缓冲空间，减震效果良好。所述立柱为伸缩式结构，可根据不同的安装环境，调整体外预应力钢束的安装高度，更好的消除车辆共振影响。 [0022] 所述转向块为固定在底板上的环形结构，包括顺次设置的直线段‑圆弧段‑直线段，体外预应力钢束与转向块偏心设置。本案转向块配合设置在桥梁弯矩变化处，体外预应力钢束偏心穿过其环形结构，不仅可以很好地传递扭矩，赋予其构造以良好的承载能力和较高的抗震性能，还能够配合体外预应力钢束降低桥梁的振动、减小车辆荷载对桥梁的影响，并将荷载传递到桥墩或基础上，提高行车的平稳性、安全性。转向块作为荷载传递单元，高度自圆弧段向直线段逐渐递增，其受力冲击得到缓冲，该三段式结构不但强化了直线段外壁强力，还使体外预应力钢束的牵引路径得到引导，提高整个转向块的结构稳定性。 [0023] 所述体外预应力钢束采用钢绞线穿束→安装锚具→安装千斤顶及张拉设备→张拉、锚固→拆除千斤顶及张拉设备→压浆→存梁的方式与中横梁连接。更优选的，所述体外预应力钢束包括钢绞线、夹片，多组钢绞线由夹片定位后，由楔子固定在锚头上。所述锚头通过轴承板连接有波纹管，钢绞线一端位于波纹管内，另一端穿过轴承板与锚头连接。 [0024] 上述体外预应力钢束配合转向块、减震器、锚固块，为桥梁内部(中空)形变提供一定的预应力防止变形开裂，也方便在桥梁内部中空结构的不同位置处牵引体外预应力钢束，满足方向不定、裂痕不等的多样性疲劳开裂，该加固过程依桥梁正常使用过程中的力学表现而展开，借助于体外预应力，不仅给予现有桥梁以一定的储备形变量，使被动加固转化为主动加固，上述各构造的配合，还起到恢复其原有结构使用功能、提高结构的可靠度与耐久性。附图说明 [0025] 图1为常见大跨度桥梁的结构示意图； [0026] 图2为本申请的侧面结构示意图； [0027] 图3为本申请的俯视结构示意图； [0028] 图4为本申请中体外预应力钢束的截面图； [0029] 图5为本申请中锚固块与体外预应力钢束的连接结构示意图； [0030] 图6为本申请中转向器的结构示意图； [0031] 图7为图6中M‑M方向剖面图； [0032] 图8为图6中A部位局部放大图； [0033] 图9为本申请中减震器的正面结构示意图； [0034] 图10为本申请中减震器的侧面结构示意图。 [0035] 图中标号：1.桥梁主体；11.中横梁；12.底板；13.顶板；2.减震器；21.胶套；22.夹套；23.立柱；231.支杆；232.套杆；24.螺母一；25.垫片；26.螺母二；3.体外预应力钢束；31.钢绞线；311.套环；312.钢丝；32.夹片；33.钢垫板；34.弹簧；35.楔子；4.转向块；41.直线段；42.圆弧段；5.锚固块；51.限位板；52.锚头；521.紧固件；53.轴承板；54.模板；55.螺旋筋；56.浆料；57.波纹管；5a.锚固块一；5b.锚固块二；6.引桥；7.中跨。 具体实施方式[0036] 本实施例大跨度桥梁体外预应力加固方法，以图2、图3所示桥梁主体为处理对象，桥梁主体1包括中横梁11、底板12和顶板13，为中空桥梁结构。本案加固主要集中在中横梁11和底板12两处：中横梁11处设置锚固块5(一般中横梁11两侧各设置一锚固块，锚固块一 5a为下一体外预应力钢束的起始端固定处/牵出端，锚固块二5b为前一个体外预应力钢束的末端固定处)，在桥梁主体1的弯矩变化处设置转向块4，沿跨度方向(长度方向)自锚固块 5牵出体外预应力钢束3，体外预应力钢束3穿过转向块4，末端固定在相邻的另一桥梁主体的中横梁的锚固块上，张拉体外预应力钢束3至设计张拉力。 [0037] 具体操作步骤如下： [0038] (1)测定桥梁主体1接触面的原箱梁钢筋、钢束位置：根据加固施工设计图纸中所标明的新增锚固横梁即锚固块5的位置，先用钢筋探测仪测定锚固块5处腹板及顶、底板原普通钢筋的位置，用红漆标明。 [0039] (2)原箱梁待植筋位置表面处理：打磨需增加锚固块5、转向块4的部位，清除碎屑，露出新鲜混凝土表面，用高压水冲洗干净。 [0040] (3)根据设计图，在锚固块5、转向块4范围开凿剪力槽，槽深2cm，间距为20cm。 [0041] (4)钻孔及孔内处理：在锚固块5、转向块4位置钻孔，钻孔深度不小于设计深度，用压缩空气清除孔内浮尘。孔内浮尘的清理必须由孔底向孔口清理。 [0042] (5)植入锚固块5、转向块4的钢筋：从植筋孔底部开始，将植筋胶注入孔中，除去钢筋上的油漆及锈斑，将锚固块5、转向块4的钢筋缓缓同向旋转插入植筋孔中、使其在植筋孔中的长度不小于设计长度。 [0043] 植筋工艺流程：定位—钻孔—清孔—钢筋除锈—配胶、注胶—植筋—固化、保护—检验。 [0044] 表1：植筋直径与对应的钻孔直径 [0045]钢筋直径d(mm) 钻孔直径设计值D(mm) 12 15 14 18 16 20 18 22 20 25 22 28 25 31 28 35 32 40 。 [0046] 植筋孔按设计要求布孔定位后，施工单位应配备钢筋探测仪，用钢筋探测仪测定孔位处有无受力钢筋，有钢筋时位置适当变更。尽量避免伤及原有钢筋，植筋应控制对原结构物内钢筋破坏低于15％。植筋前应检查有无裂缝，在裂缝处不宜植筋。 [0047] 植筋孔位置和直径除应满足设计要求外，还必须满足下列基本要求：净边距＞钢筋保护层厚度，并且必须植入原构造箍筋内侧；被植入钢筋的结构物深度≥植筋孔深度+40mm。 [0049] 钢筋植入深度应扣除混凝土表面剥落层及出现裂缝层。 [0050] 根据植筋胶生产厂家的使用说明、种类要求配置，注胶要一次完成：首先将植筋胶直接放入胶枪中，将搅拌头旋到胶的头部，扣动胶枪直到胶流出为止，第一次打出的胶不用，待胶流出成均匀灰色方可使用。注胶时，将搅拌头插入孔的底部开始注胶，注入孔内约2/3即可。每次扣动胶枪后，停顿5‑6秒钟，再扣动下一次胶枪。注射下一个孔时，按下胶枪后面的舌头，因为胶枪为自动加压，避免胶继续流出，造成浪费。更换新的胶时，按下胶枪后面的舌头，拉出拉杆，将胶枪取出。 [0051] (6)绑扎锚固块5、转向块4的钢筋：等胶泥固化后(一般为20～60分钟)，布置新增体外预应力钢束3的钢绞线31、夹片32、钢垫片33，以及限位板51、锚头52、轴承板53、波纹管57等，绑扎锚固块5、转向块4的其余钢筋，形成钢筋骨架。 [0052] (7)浇注砼：骨架形成后，按照锚固块5、转向块4形状立模，注意钢绞线31及锚头52的位置，新老砼接触面之间喷涂界面胶，然后浇注混凝土。 [0053] (8)混凝土养护：浇注完成后应加强养护，在龄期不小于7天，达到设计强度的90％以上时，方可张拉预应力。 [0054] (9)张拉预应力：箱梁左右腹板对应体外预应力钢束3同时进行张拉，张拉力采用分批张拉，先张拉至设计张拉力的60％，再张拉至设计张拉力。 [0055] 上述过程形成的加固结构如图2、图3所示：锚固块5位于中横梁11的上部，转向块4固定在底板12上，多根体外预应力钢束3一端与锚固块5以箱梁预应力张拉方式施工，另一端在桥梁主体1的中空腔内穿过，并在桥梁弯矩变化处由硬的转向块4完成转向，方便不同部位的钢丝转向，最终将达到设计张拉力的体外预应力钢束3末端固定在钢筋混凝土梁梁端处，设计张拉力对桥梁主体1沿着跨度方向进行牵引，该牵引作用稳定持续的对其已有裂痕进行弥合；桥梁通行过程中，外力自桥梁表面直接转移到中横梁11、桥梁主体的底板12、顶板13等部位处，这些作用力经锚固块5转移到体外预应力钢束3上，在设计张拉力的作用下，将该破坏作用沿着跨度方向进行消减，有效避免了裂缝的再次扩大。通过上述已有裂痕的弥合作用和避免再次扩大作用，实现了大跨度桥梁的体外预应力加固，使桥梁满足使用性和耐久性要求。 [0056] 体外预应力钢束3与锚固块5的连接关系如图4、图5所示。体外预应力钢束3采用钢绞线31穿束(包括夹片32、钢垫板33、楔子35等的装入)→安装锚具(包括锚头52、限位板51、轴承板53、螺旋筋55、波纹管57等)→安装千斤顶及张拉设备→张拉、锚固→拆除千斤顶及张拉设备→压浆→存梁的方式与中横梁连接。安装过程中控制夹片32直径D等参数。 [0057] 转向块4如图6所示为环形结构，包括顺次设置的直线段41‑圆弧段42‑直线段，体外预应力钢束3与转向块4如图7所示为偏心设置。本案转向块配合设置在桥梁弯矩变化处，体外预应力钢束偏心穿过其环形结构，不仅可以很好地传递扭矩，赋予其构造以良好的承载能力和较高的抗震性能，还能够配合体外预应力钢束3降低桥梁的振动、减小车辆荷载对桥梁的影响，并将荷载传递到桥墩或基础上，提高行车的平稳性、安全性。 [0058] 结合图8，直线段41外端处形成喇叭口式截面，其高度自圆弧段42向直线段41逐渐递增，倾角θ为10°，其自身长度D2为20mm，距离端口距离D1为50mm。转向块4作为荷载传递单元，其受力冲击较大，其端口处的外凸式结构(见图8)，不但强化了直线段41外壁强力，还对经过的体外预应力钢束3的行进方向给予过渡引导，提高整个转向块4的结构稳定性。 [0059] 针对不同的桥梁在役情况，还可以在体外预应力钢束3上装上减震器2。结合图9、图10：减震器2包括立柱23、胶套21和夹套22，夹套22为中空圆筒结构，其通过立柱23安装于桥梁主体的底板12上；胶套21为两片式结构，胶套21位于夹套22内，将胶套21两片包在体外预应力钢束3外周，再将夹套22套在胶套21外周，并以螺母二26等进行紧固，而夹套22则通过垫片25、螺母一24等与立柱23固定，立柱23通过紧固件(同样可以采用螺母)固定在底板12上。以半圆形的胶套21与体外预应力钢束3直接接触，胶套21的弹性结构对桥梁运行中的震动作用进行缓冲，其非封闭式结构则为其形变提供更大缓冲空间，减震效果良好。 [0060] 上述结构中的立柱23可以采用伸缩式结构，如采用支杆231和至少一根套杆232构成，支杆231与底板12固定，套杆232可以相对支杆231伸缩以改变立柱23整体高度；根据不同的安装环境，调整体外预应力钢束的安装高度，更好的消除车辆共振影响。 [0061] 针对顶板13内侧出现的裂纹，还可以采用粘贴钢条的方式进行加固，加固步骤为：以高分子树脂灌注裂缝→清洗并平整粘贴部位表面，植入固定钢板的螺栓→打磨粘合面的钢板表层，并设灌浆孔→安装并固定加强钢板，保证钢板与混凝土表面的间隙在2～3mm，以确保灌注胶层的厚度在2～3m→钢板周围封边→通过灌浆孔无间隙压入粘钢胶→凝固，钢板防腐处理→外表面钢板缝隙用修补胶填平→涂装。 [0062] 具体施工工艺： [0063] 第一步，混凝土表面处理：根据设计图纸的要求并结合现场测量定位，在需粘钢加固混凝土表面放出钢板位置大样，凿除需粘钢区混凝土表面6～8mm厚的表层砂浆，使坚实的混凝土石外露，并形成平整的粗糙面，表面不平处应用尖凿轻凿整平，再用钢丝轮清除表面浮浆，剔除表层疏松物，最后用无油压缩空气吹除表面粉尘或清水冲洗干净，待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面。对于箱梁粘贴位置混凝土可能凹凸不平，施工时应采取措施进行处理，使其满足粘贴钢板要求的平整度。 [0064] 第二步，钻孔植埋螺栓：依照设计图纸的要求，放出需钻孔的位置，并用钢筋混凝土保护层测试仪探明原桥钢筋位置，调整并最终确定钻孔位置，然后钻孔。钻孔时应避免碰及原有钢筋。植埋全螺纹螺杆，其距粘贴钢板边缘的距离应控制在5cm附近。孔径和孔深应严格按设计要求施工，植栓孔应清理干净。灌入螺栓的粘合剂采用符合要求的产品，施工工艺必须符合植栓技术要求。待粘合剂固化后，抗拉力达到如下要求，M12抗拉力设计值为24kN。 [0065] 第三步，待粘钢板打孔与表面处理：依据现场混凝土的实际放样进行粘贴钢板下料，并依据现场植埋的螺杆，先对待粘贴的钢板进行配套打孔，然后对钢板的粘贴面用磨光砂轮机或钢丝刷磨机进行除锈和粗糙处理，打磨粗糙度越大越好，打磨纹路应与钢板受力方向垂直。最后用脱脂棉沾丙酮将钢板表面擦拭干净，将钢板贴于预定位置上，并用已埋植螺杆将钢板贴合固定。 [0066] 第四步，钢板安装和焊接：依据现场混凝土上的实际放样进行钢板下料，并依据现场植埋的螺杆，对待灌注的钢板进行配套打孔。在混凝土与钢板中间放置3mm垫片，将钢板套在螺栓上调整水平和固定，保证钢板与混凝土表面的间隙在2mm附近，以确保灌注胶层的厚度在2mm附近；焊接钢板接缝，完成钢板安装。钢板焊接时应采取避免灼伤原结构混凝土的措施。 [0067] 第五步，封边胶：粘钢灌注胶应在封边完成，且钢板封边胶达到完全固化有足够的强度后再进行配制和使用。 [0068] 第六步，注胶施工(钢板封边及灌注结构胶)：先封边，即将注入胶咀粘结在钢板的注入孔上，在钢板边缘插入排气管，在膨胀螺栓头上罩上盖碗，然后用钢板封边胶封闭钢板边缘，完成封边。注入胶咀和出气孔布置为1m间隔。待封边胶达到完全固化(约12小时)具有一定的强度后，再通气试压以检验钢板的封边良好，才能进行后续灌注结构胶施工。用压力泵以0.2MPa的压力将盛于压力罐中的粘钢灌注胶经塑料导管从注入咀灌注到钢板和混凝土的空隙中，压力应保持稳定，当排气孔冒出浆液时停止加压，以钢板封边胶堵住排气孔，再以较低压力维持约10分钟，或灌注工作持续到所有排气孔均有胶液流出。在灌注过程中，用橡皮锤敲打钢板以确认是否灌注密实。 [0069] 第七步，养护：注胶施工结束后，应进行72小时静置养护。在此期间，被加固的部位不得受到撞击和振动的影响。 [0070] 第八步，钢板表面防腐处理。 [0071] 上述方案中，体外预应力钢束3配合转向块4、减震器2、锚固块5，为桥梁内部(中空)形变提供一定的预应力储备防止变形开裂，并在桥梁内中空结构不同位置处牵引体外预应力钢束3，满足方向不定、裂痕不等的多样性疲劳开裂加固需求，该加固过程依桥梁使用中的力学表现而展开，不仅给予现有桥梁以一定的储备形变量，使被动加固转化为主动加固，上述各构造的配合，还起到恢复其原有结构使用功能、提高结构的可靠度与耐久性的效用。 |
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