一种变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固结构及其施工方法与流程

本发明涉及公路桥梁，特别是一种变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固结构及其施工方法。

背景技术：
一般变截面箱梁的主梁高度在跨中和边支点处较小，在中支点处高度较大，中支点处的梁高以抛物线形式向跨中和边支点处的梁高过渡，使主梁底板形成曲面(见图1)。底板预应力钢筋布置于主梁底板内，其立面上的布置形状与主梁底板相似，也呈曲线形。曲线形的底板预应力钢筋张拉后会产生径向力(见图2)，主梁底板的混凝土在该径向力作用下，易发生崩裂。施工中主梁底板如发生崩裂必须进行加固。传统的加固方法为补强法，包括在主梁底板上粘贴钢板或在主梁底板增加纵向体外预应力钢束进行加固。传统的补强法不能解决底板预应力钢筋施加在主梁底板混凝土上的径向力。CN103215899A号专利申请公开了一种预应力连续梁主梁底板崩裂的加固方法。该方法是在凿除崩裂段箱梁主梁底板开裂的混凝土后，采用在梁体跨中范围内由两侧向中间对称均匀分层堆载施加预压荷载，使箱梁顶板受压，主梁底板受拉；钻孔植入新增补强钢筋，并对原设计主梁底板钢筋网片复位，绑扎固定，清除钢筋表面浮浆后重新浇筑崩裂部位的混凝土；待混凝土达到设计强度后，由两侧向中间对称均匀卸载至零，梁体的弹性上拱使主梁底板增压，顶板减压，相当于施加了预应力，达到加固效果。该方法为主梁底板后浇筑混凝土提供了一定的压应力，但该压应力为纵桥向，不能解决底板预应力钢筋施加在主梁底板混凝土上的径向力。

技术实现要素：
针对上述变截面箱梁桥主梁底板崩裂传统加固方法存在的缺点，本发明的目的是提供一种可抵消底板预应力钢筋对主梁底板混凝土径向力的变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固结构及其施工方法。为实现上述目的，本发明提供的变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固结构，在主梁底板发生崩裂段的主梁腹板的两个内侧面上分别有沿纵桥向间隔布置、由精轧螺纹钢筋构成的竖向体外预应力钢筋，两个内侧面上的竖向体外预应力钢筋相互对称，竖向体外预应力钢筋的上端通过螺母固定在主梁腹板内侧面上端增设的锚固块上，竖向体外预应力钢筋的下端穿过主梁底板的钻孔后通过螺母固定在与主梁底板底面相贴、长度与主梁底板宽度相同的钢横梁上。所述竖向体外预应力钢筋沿纵桥向的相互间距sv为：150cm≤sv≤300cm；竖向体外预应力钢筋与主梁腹板内侧面的垂直距离c为：10cm≤c≤15cm。上述变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固结构的施工方法，包括以下步骤：步骤1、预制钢横梁加工钢横梁时，在钢横梁中钻孔，钻孔位置与锚固块中预留的孔道及主梁底板的钻孔相对应。步骤2、凿除主梁底板崩裂段开裂的混凝土，钻孔植入新增补强钢筋，并对原设计主梁底板顶底层钢筋复位，绑扎固定，然后重新浇筑混凝土；步骤3、制作锚固块及主梁底板钻孔对布置锚固块的主梁腹板表面进行处理，凿除表面的混凝土，露出扎筋，然后进行锚固块植筋；在植筋周围的主梁腹板表面涂刷环氧树脂，然后浇筑钢纤维混凝土，形成锚固块；在锚固块中按竖向体外预应力钢筋与主梁腹板内侧面的设计距离预留孔道；在主梁底板上对应锚固块的预留孔道钻取钻孔(为保证主梁的安全，钻孔横向左右10cm范围内不允许有底板预应力钢筋，否则不能采用本发明。)；步骤4、安装竖向体外预应力钢筋待步骤3的锚固块的钢纤维混凝土强度达到90％设计强度时，将竖向体外预应力钢筋的上端穿过锚固块中的预留孔道与其上端的螺母螺纹连接，将竖向体外预应力钢筋的下端穿过主梁底板和钢横梁的钻孔与其下端的螺母螺纹连接；步骤5、张拉竖向体外预应力钢筋利用竖向体外预应力钢筋上端的螺母将竖向体外预应力钢筋的上端固定在所述锚固块的上部，然后用旋拧竖向体外预应力钢筋下端螺母的方式对竖向体外预应力钢筋进行张拉，张拉时，在竖向体外预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，用来测出竖向体外预应力钢筋张拉时的1阶振动角频率ω1，然后按下式计算出竖向体外预应力钢筋内产生的拉力Fr：式中m：竖向体外预应力钢筋单位长度质量(kg/m)，a：竖向体外预应力钢筋在上、下螺母之间的长度(m)，ω1：拾振器测得的竖向体外预应力钢筋的1阶振动角频率(Hz)，Es：竖向体外预应力钢筋的弹性模量(N/m2)，I：竖向体外预应力钢筋的截面惯性矩(m4)，当拉力Fr达到竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力Fp时，停止张拉竖向体外预应力钢筋；竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力Fp按下式求得：式中σcon：底板预应力钢筋的设计张拉应力(MPa)，AP：底板预应力钢筋的总截面面积(mm2)，sv：竖向体外预应力钢筋在纵桥向上的间距(m)，G：钢横梁的重量(kN)，r：主梁底板的圆曲线半径(m)，当为其它曲线形式时，按照计算取用，其中l为曲线弦长，β为曲线矢高f与弦长l之比；步骤6、对张拉后的竖向体外预应力钢筋进行防腐处理，变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固即告完成。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)通过竖向体外预应力钢筋可抵消底板预应力钢筋对主梁底板混凝土的径向力，有效避免主梁底板继续发生崩裂。(2)将锚固块置于腹板上端，利用竖向体外预应力的拉力Fr对腹板产生竖向压应力，可同时达到提高腹板斜截面抗裂性能的目的。(3)采用拾振器监测竖向体外预应力钢筋张拉时在钢筋内产生的拉力Fr，使Fr逼近竖向体外预应力钢筋的理论拉力Fp，可确保竖向体外预应力钢筋内产生的拉力Fr对主梁底板构成的拉力恰好抵消底板预应力钢筋施加在主梁底板上的径向力，从而既达到主梁底板崩裂加固效果，又不会因拉力过大损害桥梁原有结构。(4)本发明施工方法简单，施工质量容易控制，施工周期短，加固用竖向体外预应力钢筋便于维护和更换。附图说明图1为变截面箱梁桥的示意图(侧视图)；图2为图1梁桥底板预应力钢筋径向力的示意图；图3为图1梁桥主梁底板曲线弦长l与矢高f示意图；图4为本发明加固结构的侧视图；图5为图4中A-A断面图。图中：1–主梁，2–主梁底板，2a–主梁顶板，3–底板预应力钢筋，4–主梁腹板，5–竖向体外预应力钢筋，6–锚固块，7–(锚固块预留)孔道，7a–(主梁底板)钻孔，8–钢横梁，9–螺母。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。结合图1、图2和图3，本实施例所涉及的变截面箱梁桥为主跨为100m的连续刚构桥，主梁1的跨中梁高2.5m，中支点处梁高6.0m，跨中主梁底板2曲线弦长l为96.0m。由跨中和中支点处的梁高可得，矢高f＝6.0-2.5＝3.5m；如图4和图5所示，在主梁底板上共布置有8孔底板预应力钢筋3，单个孔道的底板预应力钢筋的截面面积为2660mm2，8孔底板预应力钢筋的总截面面积为AP＝21280mm2，底板预应力钢筋的设计张拉应力σcon＝1395MPa(图2所示底板预应力钢筋的张拉力Np与其对应)，最外侧的底板预应力钢筋与主梁腹板内侧面的距离为35cm。施工中，完成底板预应力钢筋张拉后发现，图4所示中间跨的跨中主梁底板混凝土发生崩裂，需进行加固。加固结构如图4和图5所示，在主梁底板发生崩裂段的主梁腹板4的两个内侧面、距离主梁腹板内侧面c＝12.5cm分别有沿纵桥向相互间距sv＝2.0m、由直径25mm的PSB785精轧螺纹钢筋(螺纹钢筋单位长度质量m＝3.85kg/m，弹性模量Es＝2.0×1011N/m2，截面惯性矩I＝1.92×10-8m4)构成的10根竖向体外预应力钢筋5，两个内侧面上的竖向体外预应力钢筋相互对称，在竖向体外预应力钢筋的上端通过螺母9固定在位于主梁腹板内侧面上端的锚固块6上部，竖向体外预应力钢筋的下端穿过主梁底板钻孔7a和钢横梁8的钻孔，通过螺母9固定在钢横梁8的下部，钢横梁的长度与主梁底板宽度相同，与主梁底板底面相贴靠，钢横梁的重量G＝12.6kN。上述加固结构，按以下步骤施工：步骤1、预制钢横梁加工钢横梁时，在钢横梁中钻孔，钻孔位置与锚固块中预留的孔道及主梁底板钻孔相对应。步骤2、凿除主梁底板崩裂段开裂的混凝土，钻孔植入新增补强钢筋，并对原设计主梁底板顶底层钢筋复位，绑扎固定，然后重新浇筑混凝土；步骤3、制作锚固块锚固块位于距主梁腹板内侧面与主梁顶板2a交接部的下缘20cm处，对该部位的主梁腹板内侧面进行处理，凿除表面的混凝土，露出扎筋，然后进行锚固块植筋，在植筋周围的主梁腹板表面涂刷环氧树脂，然后浇筑钢纤维混凝土，形成锚固块；同时用金属波纹管在锚固块中预留距主梁腹板内侧面12.5cm的孔道7；在主梁底板上对应该孔道采用钻机钻取钻孔7a；步骤4、安装竖向体外预应力钢筋待步骤3锚固块的混凝土强度达到90％设计强度时，将精轧螺纹钢筋上端穿过锚固块中的预留孔道，下端穿过主梁底板和钢横梁的钻孔，并将上下两端分别与螺母9连接；步骤5、张拉竖向体外预应力钢筋利用竖向体外预应力钢筋上端的螺母将竖向体外预应力钢筋的上端固定在锚固块上部，然后旋拧竖向体外预应力钢筋下端的螺母，对竖向体外预应力钢筋逐根进行张拉，张拉时在竖向体外预应力钢筋上安装与振动测试仪器相连接的拾振器，随时测量竖向体外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Fr，当拉力Fr与竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力Fp的差值不超过理论拉力Fp的5％时，停止张拉竖向体外预应力钢筋。竖向体外预应力钢筋内产生的理论拉力Fp为：主梁腹板左、右内侧面上的各10根竖向体外预应力钢筋停止张拉时的实测结果见下表：左侧竖向体外预应力钢筋实测结果右侧竖向体外预应力钢筋实测结果步骤6、完成竖向体外预应力钢筋张拉后，对张拉后的竖向体外预应力钢筋进行防腐处理，变截面箱梁桥主梁底板崩裂加固施工即告完成。此主梁底板崩裂段经上述加固后，经过一年的实际考验，未继续发生崩裂，说明加固效果良好。