一种箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固结构及其施工方法

摘要

一种箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固结构，在发生斜裂缝段的主梁腹板的两外侧面上增设上下对应、沿顺桥向间隔布置的锚固块，在锚固块上安装由精轧螺纹钢筋构成的体外竖向预应力钢筋。施工时用旋拧体外竖向预应力钢筋下端螺母的方式对体外竖向预应力钢筋张拉；同时通过在体外竖向预应力钢筋上安装的拾振器测出体外竖向预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率，按公式计算出体外竖向预应力钢筋内产生的拉力，当拉力达到体外竖向预应力钢筋内产生的理论拉力时停止张拉。该加固结构通过体外竖向预应力钢筋对主梁腹板形成竖向压应力对主梁腹板起到加固作用；同时确保不会因拉力过大损害桥梁原有结构。

说明书

技术领域

本发明涉公路桥梁，特别是一种箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固结构及其施工方法。

背景技术

所述箱形梁桥包括普通混凝土箱形梁桥和预应力混凝土箱形梁桥，按主要结构形式分为： 普通钢筋混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续梁桥和预应力混凝土连续刚构桥。其中跨度为 20m～300m的箱形梁桥为最常用类型。由于设计、施工或运营管理等方面存在的问题，目前 在役的这种混凝土箱形梁桥有相当大比例出现了因主拉应力过大而引起的主梁腹板斜裂缝等 病害，裂缝较大时直接威胁桥梁的耐久性和安全性。

为抑制主梁腹板斜裂缝病害的进一步发展，提高主梁腹板斜截面抗裂性能，传统加固方 法主要包括：(1)增大主梁腹板宽度或增加主梁腹板道数；(2)在主梁腹板侧面粘贴钢板或 碳纤维；(3)张拉纵向体外索，减小竖向恒载作用，进而减小剪应力大小，提高主梁腹板斜 截面抗裂性能。其中增大主梁腹板宽度或增加主梁腹板道数及粘贴钢板或碳纤维属于被动加 固，不能明显改善主梁腹板原有的剪力分配状态，加固效果并不明显；张拉纵向体外索工程 量巨大，加固费用高，施工难度大。

CN201120196053.7专利文献披露了一种采用体内竖向预应力加固的方法，该加固方法存 在的问题是：

(1)体内竖向预应力钢筋采用拧紧其端头螺母的方式进行张拉，张拉后在体内竖向预应 力钢筋内产生的拉力大小难以有效测定，也就难以保证应力施加效果。

(2)运营期间如体内竖向预应力钢筋需要更换，由于体内竖向预应力钢筋的孔道已经灌 浆，无法更换。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固 结构及该结构的施工方法。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)第6.3.3条， 提高主梁腹板抗裂性能的一个重要途径是增大主梁腹板的竖向压应力。基于这一设计思想， 本发明采取用体外竖向预应力钢筋对主梁腹板施加竖向压应力的办法来增大主梁腹板的抗裂 性能。

本发明提供的箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固结构，在发生斜裂缝的主梁腹板的两外侧面 的上部和下部增设上下对应、沿顺桥向间隔布置的锚固块，在上下对应的锚固块上安装由精 轧螺纹钢筋构成的体外竖向预应力钢筋。

所述上下对应的锚固块沿顺桥向的相互间距s_v为：50cm≤s_v≤120cm。

上述箱形梁桥主梁腹板斜裂缝加固结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1、对发生斜裂缝的主梁腹板外侧面进行处理

对裂缝宽度小于0.15mm的斜裂缝，用环氧树脂进行表面封闭；对裂缝宽度大于0.15mm 的斜裂缝，用环氧树脂进行注胶；

步骤2、制作锚固块

对主梁腹板的两外侧面上布置锚固块的部位进行表面处理，凿除表面的混凝土，露出扎 筋，然后进行锚固块植筋；在植筋周围的表面涂刷环氧树脂，然后浇筑钢纤维混凝土，形成 锚固块；在锚固块中预留孔道；

步骤3、安装和张拉体外竖向预应力钢筋

待步骤2的钢纤维混凝土强度达到90％设计强度后，通过锚固块中的孔道穿送体外竖向 预应力钢筋，利用体外竖向预应力钢筋上端的螺母将体外竖向预应力钢筋的上端固定在主梁 腹板上部的锚固块上，然后用旋拧体外竖向预应力钢筋下端螺母的方式对体外竖向预应力钢 筋进行张拉；张拉时在体外竖向预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，测出体 外竖向预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω₁，然后按下式计算出体外竖向预应力钢筋内产 生的拉力F_r：

$F_r=[m{\left(\frac{{\mathrm{l\omega }}_1}{\pi }\right)}^2-E_{s}I\frac{{\pi }^2}{l^2}]/1000\left(kN\right)$

式中

m：体外竖向预应力钢筋单位长度质量(kg/m)，

l：体外竖向预应力钢筋在上、下螺母之间的长度(m)，

ω₁：拾振器测得的体外竖向预应力钢筋的1阶振动角频率(Hz)，

E_s：体外竖向预应力钢筋的弹性模量(N/m²)，

I：体外竖向预应力钢筋的截面惯性矩(m⁴)；

当拉力F_r达到体外竖向预应力钢筋内产生的理论拉力F_d时，停止张拉体外竖向预应力钢 筋；

体外竖向预应力钢筋内产生的理论拉力F_d按下式求得：

$F_d=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{bs}}_v}{1000}({\sigma }_{tp}-{\mathrm{\gamma f}}_{tk})\left(kN\right)$

式中

b：主梁腹板的宽度(mm)，

s_v：锚固块沿顺桥向的相互间距(mm)，

σ_tp：短期效应组合下主梁腹板截面主拉应力的最大值，通过建立桥梁结构力学模型或桥 梁结构有限元模型计算求得，

f_tk：混凝土抗拉强度标准值(MPa)，可通过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范》(JTGD62-2004)查询，

γ：构件类型系数，对预制的全预应力混凝土构件，γ＝0.6；对现场浇筑的全预应力混凝土 构件、预制拼装的全预应力混凝土构件γ＝0.4；对预制的A类和B类预应力混凝土构件，γ＝0.7； 对现场浇筑的A类和B类预应力混凝土构件、预制拼装的A类和B类预应力混凝土构件γ＝0.5；

步骤4、对张拉后的体外竖向预应力钢筋进行防腐处理，主梁腹板斜裂缝加固结构施工 即告完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过张拉体外竖向预应力钢筋对主梁腹板构成竖向压应力，可有效提高主梁 腹板的抗裂性能。

(2)采用拾振器测量体外竖向预应力钢筋张拉时在体外竖向预应力钢筋内产生的拉力 F_r，在F_r达到体外竖向预应力钢筋的理论拉力F_d时停止张拉，可确保作用短期效应组合下主 梁腹板截面出现的主拉应力不超过γf_tk，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTGD62-2004)第6.3.1条对不同类型预应力混凝土构件斜截面抗裂的要求，从而既能达到 对主梁腹板斜裂缝的加固效果，又不会因拉力过大损害桥梁原有结构。

(3)本发明方法简单，加固结构便于日常维护，更换体外竖向预应力钢筋方便。

附图说明

图1为本发明加固结构的侧视图；

图2为图1中A-A断面图。

图中：1–主梁，2–主梁腹板，3–体外竖向预应力钢筋，4–锚固块，5–螺母，6–孔道。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例为采用本发明对主梁腹板发生斜裂缝的某混凝土箱形梁桥进行修复加固。

该箱形梁桥为主跨160m的预应力混凝土连续刚构桥，按照全预应力混凝土结构设计， 主梁采用C60混凝土，f_tk＝2.85MPa；现场浇筑的全预应力混凝土构件：γ＝0.4，现场浇筑施工。 通过建立桥梁结构有限元模型计算出该箱形梁桥作用短期效应组合下主梁腹板截面主拉应力 的最大值σ_tp＝3.03MPa。

该梁桥完成施工投入运营一年后发现主梁中间跨的1/4跨附近主梁腹板发生斜裂缝，该 段主梁腹板的宽度b＝50cm，裂缝宽度大于0.15mm的斜裂缝有233条，裂缝宽度小于0.15mm 的斜裂缝有682条，采用本发明对该段主梁的主梁腹板进行修复加固。

加固结构如图1和图2所示，在主梁1的主梁腹板2的两个外侧面上距主梁腹板上缘75cm 处和距主梁腹板下缘45cm处分别增设沿顺桥向相互间距s_v＝60cm、上下对应的锚固块4共 10组，每组锚固块中预留距主梁腹板外侧面12.5cm的孔道6，用10根直径40mm的PSB1080 精轧螺纹钢筋(精轧螺纹钢筋单位长度质量m＝10.34kg/m，弹性模量E_s＝2.0×10¹¹N/m²，截面 惯性矩I＝2.51×10^-7m⁴)分别作体外竖向预应力钢筋3，穿过上下对应的锚固块中的预留孔道， 将其上下两端分别通过螺母5固定在与其对应的锚固块上。

上述主梁腹板加固结构的施工按如下步骤进行：

步骤1、对发生斜裂缝的主梁腹板外侧面进行处理

对裂缝宽度小于0.15mm的斜裂缝，用环氧树脂进行表面封闭；对裂缝宽度大于0.15mm 的斜裂缝，用环氧树脂进行注胶。

步骤2、制作锚固块

对主梁腹板两外侧面上布置锚固块的部位进行表面处理，凿除表面的混凝土，露出扎筋， 然后进行锚固块植筋；在植筋周围的表面涂刷环氧树脂后浇筑钢纤维混凝土，形成锚固块； 浇筑时用金属波纹管在锚固块中预留孔道；

步骤3、安装和张拉体外竖向预应力钢筋

待步骤2的钢纤维混凝土强度达到90％设计强度后，通过锚固块中的孔道穿送体外竖向 预应力钢筋，利用体外竖向预应力钢筋上端的螺母将体外竖向预应力钢筋的上端固定在与其 对应的锚固块上部，然后用旋拧体外竖向预应力钢筋下端螺母的方式逐根张拉体外竖向预应 力钢筋；张拉时在体外竖向预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，测出体外竖 向预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω₁，计算出竖向体外预应力钢筋内产生的拉力F_r，当 拉力F_r与竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力F_d的差值不超过理论拉力F_d的5％时，停止 张拉竖向体外预应力钢筋。

体外竖向预应力钢筋内产生的理论拉力F_d为

$F_d=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{bs}}_v}{1000}({\sigma }_{tp}-{\mathrm{\gamma f}}_{tk})=\frac{\sqrt{2}\times 500\times 600}{100}\times (3.03-0.4\times 2.85)=801.9\left(kN\right)$

停止张拉竖向体外预应力钢筋时，主梁腹板左右外侧面上的10根竖向体外预应力钢筋的 实测结果见下表：

左侧体外竖向预应力钢筋实测结果表

右侧体外竖向预应力钢筋实测结果表

步骤4、对完成张拉后的体外竖向预应力钢筋进行防腐处理，主梁腹板斜裂缝加固结构 施工即告完成。

该箱形梁桥主梁腹板斜裂缝段经上述加固后，经过一年的实际考验，未再发生开裂，加 固达到预期效果。