一种新型体外预应力加固装置及其施工方法与流程
本发明涉及公路和市政桥梁加固技术，尤其是涉及解决混凝土箱梁出现竖向、横向、斜向等裂缝时使用的一种新型体外预应力加固装置，本发明还涉及使用该加固装置加固混凝土箱梁裂纹的施工方法。
背景技术：
根据对公路预应力混凝土箱梁病害的调查，从总的趋势来看，跨径大于60m的箱梁极易出现开裂现象，不同的桥梁只是裂缝性质、开裂部位和轻重程度有所不同。而混凝土箱梁上的裂缝极少出现单一裂缝形态的情况，通常情况下是多种裂缝形态并存。当这些裂缝发展到一定程度之后，桥梁将不能满足使用要求，需要及时进行加固处理，以恢复使用功能。
目前常用的混凝土桥梁加固技术中，体外预应力加固作为一种主动加固技术具有能够减少梁体下挠及封闭混凝土裂缝的优点，但该技术也存在着施工复杂、操作空间要求较高的缺点。横张预应力加固作为一种可以克服上述缺点的技术在工程实践中也得到了一定的应用，例如在发明专利《混凝土梁板横向张拉环氧涂层钢筋有粘结预应力加固方法》（申请号 201010275479.1，公布号 CN 101929131 A）中就提出了一种横向张拉技术，以环氧涂层钢筋替代钢绞线或普通热轧钢筋作为横张预应力筋对结构施加预应力，虽然该方法相比现有的预应力加固技术具有造价较低和施工方便的优点，但是该种方法存在的不足之处并不利于其在工程实践中的应用，主要体现在如下方面：
（1）锚固点不牢靠。该方法中将预应力钢筋与预先锚固在梁上的钢板进行焊接，该焊接点处在桥梁运营过程中容易产生疲劳现象而导致失效，从而使梁体上施加的预应力丧失。
（2）预应力钢筋不易更换。该方法中将横张预应力直接焊接在锚固钢板上，在预应力钢筋出现损坏的情况下不容易进行更换。
（3）不能施加较大的预应力。由于钢筋强度以及张拉设备的限制，不能施加较大的预应力。
（4）只适合解决平面裂缝问题。该方法主要用于腹板竖向裂缝的处理，难以同时处置腹板竖向裂缝和顶板纵向裂缝。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型体外预应力加固装置，本发明还提供使用该加固装置加固混凝土箱梁裂纹的施工方法。本发明的体外预应力加固方法既保留了横向预应力技术的优点，又依靠可以纵、横向拼接的横张预应力单元实现在混凝土箱梁内形成三向预应力体系及在不同位置施加不同预应力度的目的。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的新型体外预应力加固装置，包括锚固在混凝土桥梁病害区域周边的预应力加固件，所述预应力加固件由多个预应力单元组成，所述预应力单元包括左右间隔对称设置的两组带有预应力束孔道的锚固块，两组锚固块之间的连线呈矩形结构；在每组锚固块之间分别设置有单元预应力束，所述单元预应力束的两端分别从该锚固块上的预应力束孔道内穿出并固定，在两根单元预应力束的中部分别卡固有定位槽板，在两个所述定位槽板之间穿设有预应力调整螺杆，延伸出两个所述定位槽板之外的预应力调整螺杆上旋拧有调整螺母。
若病害区域较大，则需要安装多个预应力单元，两预应力单元的两个相邻锚固块之间分别设置有连接预应力束，在所述连接预应力束的中部分别卡固有辅助定位槽板，在两个所述辅助定位槽板之间穿设有辅助调整螺杆，延伸出两个所述定位槽板之外的锚固螺杆上旋拧有辅助调整螺母。
使用本发明的加固装置加固混凝土箱梁裂纹的施工方法包括下述步骤：
第一步，根据混凝土箱梁病害情况和结构分析结果，确定沿纵向、竖向和横向三个方向所需要的预应力单元个数以及拼接方案；
第二步，按照设计位置，依次在箱梁的顶板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上植入锚栓，之后将单个预应力单元的四个锚固块与对应的锚栓固连，并安装预应力单元内的单元预应力束、定位槽板、预应力调整螺杆和调整螺母；
第三步，安装预应力单元之间的连接预应力束、辅助定位槽板、辅助调整螺杆及辅助调整螺母；
第四步，将预应力单元的调整螺母和预应力单元之间的辅助调整螺母旋进设计距离，从而获得索内的预应力；
第五步，对所有外露钢构件进行防腐处理；
第六步，定期监控单元预应力束和连接预应力束的数值，必要时进行预应力值调整。
与现有横张预应力加固技术相比，本发明加固装置和施工方法的优点可体现在以下几个方面：
（1）提供了解决多种裂缝形态的统一处置方案。本发明为单元式结构，依据实际桥梁的具体裂缝情况，可以在纵向、竖向或横向单个断面上设置多个预应力单元，实现在混凝土箱梁上施加两向或三向预应力。
（2）由于本加固件为单元式构造，可以在箱梁的不同位置选择不同的单元形式及张拉力大小。也就是说，可以在箱梁的不同位置施加有差别的预应力度，更加有针对性的解决混凝土箱梁不同位置和不同危害程度的裂缝病害。
（3）根据具体加固的桥梁定制标准化的锚固装置，避免了施工时在箱梁内部重新浇筑锚固块的繁琐。同时本发明的预应力单元可以在工厂内完成预制，易于控制产品质量及提高产品生产效率。
（4）本发明依靠自平衡系统解决了横张预应力筋的固定问题，避免了常规横张结构的诸如锚点变形、构造复杂等缺点。
（5）由于张拉件（预应力调整螺杆和调整螺母之间以及辅助调整螺杆和辅助调整螺母之间）的可调节性，可以方便对预应力钢束后期进行预应力调整。
（6）加固系统整体位于箱梁内部，不影响桥梁外部景观。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是横向采用多个预应力单元时的安装示意图。
图3是纵向采用多个预应力单元时的安装示意图。
图4是本发明单个预应力单元张拉力计算用简图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的新型体外预应力加固装置，包括锚固在混凝土桥梁7裂缝位置处的预应力加固件，本发明采用的预应力加固件由多个预应力单元组成，预应力单元包括左右间隔对称设置的两组（四个）带有预应力束孔道1的锚固块2，四个锚固块之间的连线呈矩形结构；在左侧和右侧两个锚固块之间分别设置有单元预应力束3，单元预应力束3的两端分别从左侧和右侧的上、下两个锚固块2上的预应力束孔道1内穿出并固定，在两根单元预应力束3的中部分别卡固有定位槽板4，在两个定位槽板4之间穿设有预应力调整螺杆5，延伸出两个定位槽板之外的预应力调整螺杆5两端旋拧有调整螺母6。
若箱梁的病害区域较大，则需要安装多个预应力单元，图2所示的就是横向采用多个预应力单元时的安装示意图：两预应力单元的两个相邻锚固块之间分别设置连接预应力束8，在连接预应力束8的中部分别卡固有辅助定位槽板9，在两个定位槽板9之间穿设有辅助调整螺杆10，延伸出两个定位槽板之外的锚固螺杆上旋拧有辅助调整螺母。
使用本发明加固装置加固混凝土箱梁裂纹的施工方法包括下述步骤：
第一步，根据混凝土箱梁病害情况和结构分析结果，确定沿纵向、竖向和横向三个方向所需要的预应力单元个数以及拼接方案；同时确定如图4所示每个横向预应力单元中各个预应力筋的张拉力。以单个预应力单元为例，张拉力的计算方法如下：
1、张拉控制应力σcon的计算
索的张拉控制应力σcon与固定螺母6旋进距离s可按下列公式进行计算：假定在预紧状态下锚固点到单根钢束中点距离为h，初始索长为l0，调整螺母6旋进距离为s，根据图4中所示的几何关系：
可得：
预应力筋的伸长量：
预应力筋的张拉控制应力：
2、预应力损失的计算
在本横张预应力系统中需计算三种预应力损失：体外预应力锚固端管道所产生的摩擦损失σl1，锚具变形、预应力筋回缩和接缝压密损失σl2，预应力筋的松弛损失σl5。
（1）锚固端管道所产生的摩擦损失σl1：
式中：
k—单位长度管道轴线局部偏差的摩擦系数（1/m）；
x—管道累计长度（m）。
（2）锚具变形、预应力筋回缩和接缝压密损失σl2:
式中:
EP,e—体外预应力筋的弹性模量；
Δl—锚具变形、预应力筋回缩和接缝压密值；
l—预应力筋的计算总长度。
（3）钢筋松弛引起的预应力损失终极值σl5:
式中：
Ψ—张拉系数；
ζ—钢筋松弛系数，普通松弛ζ=1；低松弛ζ=0.3；
σP,ei—传力锚固是体外预应力筋的应力，σP,ei=σcon—σl1—σl2；
fpk—体外预应力筋的张拉标准值。
正常使用阶段，体外预应力筋的中的预应力为σPe,e=σcon—σl1—σl2—σl5。因此每个预应力单元在箱梁上建立的预加力为：
FV=NPe,esinθ=σPe,eAssinθ
FH=NPe,ecosθ=σPe,eAscosθ
式中：
FV—预应力单元在箱梁内建立的竖向力；
FH—预应力单元在箱梁内建立的水平力；
NPe,e—传力锚固是体外预应力筋的内力；
σP,ei—传力锚固是体外预应力筋的应力，σP,ei=σcon—σl1—σl2—σl5；
θ—长度中点处预应力筋与水平方向的交角；
As—预应力束的截面面积；
第二步，按照设计位置，首先在箱梁7的顶板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上预先植入锚栓，之后将单个预应力单元的四个锚固块2与对应的锚栓固连（在工厂加工锚固块2时，可将预应力束孔道1以焊接的方式固定在锚固块2上，同时根据设计要求预制单元预应力束3和定位槽板4；然后安装单元预应力束3（将单元预应力束3的两端穿入预应力束孔道1并在预应力束孔道1外通过锚具或直接焊接固定），定位槽板4、预应力调整螺杆5和调整螺母6，一个预应力单元安装完成（如图1所示）；重复上述步骤，将所有预应力单元全部安装完毕；
第三步，安装预应力单元之间的连接预应力束8、辅助定位槽板9、辅助调整螺杆10及辅助调整螺母；图2为横向多个预应力单元安装示意图，图3为纵向预应力单元安装示意图；
第四步，将预应力单元的调整螺母6和两预应力单元之间的辅助调整螺母旋进设计距离，从而获得索内的预应力；
从图2可以看出，如果将两预应力单元横向连接，则预应力单元通过横向调整螺杆5和调整螺母6施加横、竖向力，而两预应力单元之间的连接预应力束9通过辅助调整螺杆11及辅助调整螺母施加横、竖向力；
从图3可以看出，如果将两预应力单元纵向安装，则每个预应力单元施加横、纵向力，而两预应力单元之间的连接预应力束8通过辅助调整螺杆10及辅助调整螺母施加横、竖向力。
第五步，对所有外露钢构件进行防腐处理；
第六步，定期监控单元预应力束3和横向连接预应力束9的数值，必要时进行预应力值调整。
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