混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构及其设计和施工方法

本发明涉及桥梁工程，具体涉及一种混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构及其设计和施工方法。

背景技术：

1、我国公路桥梁由于环境侵蚀、材料性能老化、重/超载、混凝土强度低、施工质量差等原因已经出现了许多严重的病害。桥面板作为直接承受车轮荷载的重要构件，病害问题尤为突出。一方面，在负弯矩作用下，墩顶混凝土桥面板容易出现开裂、渗水、接缝破坏等病害。另一方面，在外部复杂环境因素下，开裂桥面板由于氯离子渗透、混凝土碳化、有害物质侵蚀等原因产生了耐久性问题。因此，为了保证桥梁结构的正常安全运营、并延长其耐久性和使用寿命，对负弯矩区桥面板进行加固维修十分必要。

2、混凝土桥梁传统抗弯加固方法有：①粘贴加固法(钢板、frp片材)轻质高强、抗裂性好；但其耐高温和耐久性差，界面有机粘胶易老化而导致加固层剥离，同时应力滞后使得加固材料高强性能利用率较低。②预应力加固法能够充分发挥材料的高强性能、显著提升结构抗弯能力和刚度、加固效率高，但体外预应力锚固点应力集中，力筋存在耐久性和振动疲劳问题；预应力钢丝绳+砂浆法虽然部分解决了体外预应力加固存在的问题，但砂浆层抗拉能力有限，韧性较差，存在受弯开裂风险；而且砂浆与混凝土之间的粘接界面剂(有机物)在交替变化环境作用下会老化失效，造成砂浆层剥离、影响加固耐久性；③简支变连续加固法，利用内力重分布(增加支点负弯矩、降低跨中正弯矩)来改善桥梁受力，可有效提升桥梁荷载等级；但实践表明，简支变连续桥梁在运营过程中经常在墩顶负弯矩区(湿接缝结合面)出现横向裂缝，导致梁顶钢筋和预应力筋锈蚀甚至破坏、存在耐久性风险。

3、可见，常用混凝土桥梁抗弯加固方法虽然加固效率高、但其加固耐久性欠佳，且无法对混凝土桥面板漏水、钢筋锈蚀等耐久性病害提供有效防护，难以满足劣化混凝土桥梁耐久性加固改造的需求。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有混凝土桥面加固技术的不足，提供一种施工便捷、加固高效、耐久性良好的预应力uhpc(超高性能混凝土，ultra-high performanceconcrete，uhpc)抗弯加固结构及其设计和施工方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构，包括铺设于混凝土桥面板的预应力钢绞线、浇筑于混凝土桥面板并与预应力钢绞线粘结形成整体的uhpc加固层、预制uhpc锚固装置及预制钢-uhpc转向装置，所述uhpc加固层采用速凝、减缩uhpc材料现浇而成，并配置增韧钢筋网，所述预制钢-uhpc转向装置实现预应力钢绞线由混凝土桥面板上缘向混凝土桥面板下缘的方向转变，所述预应力钢绞线由所述预制uhpc锚固装置锚固在混凝土桥面板下缘。

4、进一步地，所述混凝土桥面板进行凿毛处理，并在凿毛表面植插桥面板植筋；在混凝土桥面板设计位置开设用于铺设预应力钢绞线的预应力钢绞线凹槽通道、用于安装预制钢-uhpc转向装置的转向装置安装凹槽和用于预应力钢绞线穿过桥面板的桥面板预应力钢绞线孔道，并在所述转向装置安装凹槽处钻设转向装置植筋孔，在预制uhpc锚固装置对应位置钻设锚固装置螺栓孔。

5、进一步地，所述预应力钢绞线按设计荷载计算进行配置，且所述uhpc加固层与混凝土桥面板通过新老混凝土粘结作用和桥面板植筋连接固定。

6、进一步地，所述预制钢-uhpc转向装置包括预制uhpc转向块、包覆于所述预制uhpc转向块表面的转向块加劲钢板；所述预制uhpc转向块预埋有转向装置外伸钢筋，并开设有转向装置预应力钢绞线通孔，所述转向装置外伸钢筋与桥面板转向装置植筋孔配对；所述转向块加劲钢板预留坡口；

7、在混凝土桥面板中的转向装置植筋孔内注入速凝植筋胶，将转向装置外伸钢筋插入转向装置植筋孔内，然后在转向块加劲钢板预留坡口位置将转向块加劲钢板与混凝土桥面板受力钢筋焊接，实现预制钢-uhpc转向装置的安装固定。

8、进一步地，所述预制uhpc锚固装置包括预制uhpc锚固块、单孔锚具，所述预制uhpc锚固块预留有螺栓孔道、锚固装置预应力钢绞线孔道和封锚凹槽，所述单孔锚具用于将预应力钢绞线的两端锚固在预制uhpc锚固块的钢垫板上；所述预制uhpc锚固装置与混凝土桥面板通过高强螺栓连接固定，所述高强螺栓插入所述螺栓孔道内并延伸至桥面板的锚固装置螺栓孔；所述封锚凹槽用于在预制uhpc锚固装置安装固定后注入速凝uhpc灌浆料。

9、进一步地，所述uhpc加固层所用速凝、减缩uhpc材料，在3d的抗压强度需达到28d抗压强度80％以上，其自收缩量控制在300με内；增韧钢筋网采用hrb400级钢筋，直径范围为φ8～φ12。

10、本发明还提供一种混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构的设计方法，包括如下步骤：

11、步骤s1，根据原桥梁结构设计图和检测报告，确定主梁支点截面尺寸、混凝土强度和配筋；根据拟定设计荷载，按规范计算主梁支点截面弯矩设计值；

12、步骤s2，根据原混凝土桥梁主梁支点截面尺寸、顶板厚度和钢筋保护层厚度，初步拟定uhpc加固层厚度和预应力钢绞线的数量和面积；

13、步骤s3，预应力uhpc抗弯加固混凝土桥面板负弯矩区的内力复核：按受弯构件正截面承载力计算进行内力复核，确定预应力钢绞线截面面积；

14、步骤s4，根据预应力钢绞线计算面积，确定预应力钢绞线尺寸规格和数量，并制定混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构的具体加固方案。

15、进一步地，步骤3中，预应力uhpc抗弯加固混凝土桥面板受弯构件的正截面承载力采用如下公式进行验算：

16、条件①：

17、αpfpdap+futbuhu+fsd0as0+fpd0ap0≤fcdb′fh′f+f′sd0a′s0+(f′py0-σ′p0)a′p0

18、符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：

19、

20、混凝土受压区高度计算：

21、fcdb′fx＝αpfpdap+futbhu+fsd0as0+fpd0ap0-f′sd0a′s0-(f′py0-σ′p0)a′p0；

22、不符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：

23、

24、混凝土受压区高度计算：

25、fcd[bx+(b′f-b)h′f]

26、＝αpfpdap+futbhu+fsd0as0+fpd0ap0-f′sd0a′s0-(f′py0-σ′p0)a′p0；

27、混凝土受压区高度均应符合以下条件：

28、2a′≤x≤ξbh01

29、式中：

30、γ0——桥梁结构的重要性系数，按规范采用；

31、md——构件加固后弯矩设计值；

32、αp——新增预应力钢绞线强度利用系数，取0.9；

33、fpy——新增预应力钢绞线抗拉强度设计值；

34、fut——uhpc轴心抗拉强度设计值；

35、fcd——原构件普通混凝土轴心抗压强度设计值；

36、fut——uhpc抗拉强度设计值；

37、fsd0、fpd0——分别为原构件受拉区普通钢筋和预应力钢筋抗拉强度设计值；

38、f′sd0、f′pd0——分别为原构件受压区普通钢筋和预应力钢筋抗压强度设计值；

39、σ′p0——原构件受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力；

40、ap——新增预应力钢绞线截面面积；

41、as0、ap0——分别为原构件受拉区普通钢筋和预应力钢筋截面面积；

42、a′s0、a′p0——分别为原构件受压区普通钢筋和预应力钢筋截面面积；

43、x——混凝土受压区高度；

44、ξb——原构件截面相对界限受压区高度；

45、b——为矩形截面宽度或t型或i型截面腹板厚度；

46、b′f、h′f——分别为t型或i型截面受压翼缘有效宽度和厚度；

47、bu、hu——分别为uhpc加固层截面宽度和厚度；

48、h、h0、h01——分别为加固后截面全高、加固后截面有效高度、加固前截面有效高度；

49、a′s、a′p——分别为原构件受压区普通钢筋合力点和预应力钢筋合力点到受压区边缘的距离；

50、a′——原构件受压区普通钢筋和预应力钢筋合力点到受压区边缘的距离。

51、本发明还提供一种混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构的施工方法，包括如下步骤：

52、步骤s1，混凝土桥面板界面处理，具体如下：

53、进行混凝土桥面板凿毛和桥面板植筋，开设预应力钢绞线凹槽通道和转向装置安装凹槽，并在端部钻设桥面板预应力钢绞线孔道；对转向装置安装凹槽进行深度凿毛处理，露出混凝土桥面板受力钢筋，并钻设转向装置植筋孔；对混凝土桥面板锚固装置安装接触面进行界面处理，并植插高强螺栓；

54、步骤s2，预制钢-uhpc转向装置和预制uhpc锚固装置的安装固定，具体如下：

55、在混凝土桥面板中的转向装置植筋孔内注入速凝植筋胶，并快速将转向装置外伸钢筋插入转向装置植筋孔内，然后在转向块加劲钢板预留坡口位置将转向块加劲钢板与混凝土桥面板受力钢筋焊接，实现预制钢-uhpc转向装置的安装固定；

56、将预制uhpc锚固块预留螺栓孔道与混凝土桥面板植插的高强螺栓配合限位，然后将螺母拧紧，实现预制uhpc锚固装置的安装固定；

57、步骤s3，预应力钢绞线的张拉和锚固，具体如下：

58、依次在预应力钢绞线凹槽通道、转向装置预应力钢绞线孔道、桥面板预应力钢绞线孔道和锚固装置预应力钢绞线孔道内穿设预应力钢绞线；

59、然后采用小型油压千斤顶张拉预应力钢绞线至控制应力，控制应力取其抗拉强度标准值的0.65倍，预应力钢绞线在混凝土桥面板横桥方向由中间向两侧依次对称张拉，采用单孔锚具将预应力钢绞线的两端锚固在预制uhpc锚固块的钢垫板上面，并切除预应力钢绞线外露部分；

60、预应力钢绞线的张拉和锚固操作完毕后，在封锚凹槽内注入速凝uhpc灌浆料，保护锚具和预应力钢绞线不受外部环境侵蚀；

61、步骤s4，uhpc加固层现浇施工，具体如下：

62、将混凝土桥面板与uhpc加固层接触面进行湿润处理，使表面普通混凝土处于湿饱和状态；

63、搭设uhpc加固层模板，布置增韧钢筋网，然后浇筑uhpc加固层；浇筑顺序为：首先对锚固装置预应力钢绞线孔道、转向装置预应力钢绞线孔道和桥面预应力钢绞线孔道压注uhpc拌合料，然后在模板内部浇筑uhpc加固层；

64、步骤s5，uhpc加固层养护。

65、进一步地，步骤s5中，浇筑成型后，在自然养护条件下，对uhpc加固层进行洒水覆膜养护；

66、养护期间，uhpc加固层表面应处于湿润状态，且与混凝土桥面板和周围大气的温差应小于等于20℃，避免uhpc加固层产生塑性收缩裂缝；

67、待uhpc加固层达到预期强度后拆除所述模板，uhpc加固层与内部预应力钢绞线和增韧钢筋网粘结形成整体。

68、与现有技术相比，本发明提供的混凝土桥面板负弯矩区预应力uhpc抗弯加固结构及其设计和施工方法，有益效果在于：

69、一、结构受力方面：本发明混凝土桥面板负弯矩区的预应力uhpc抗弯加固结构，将预应力加固技术与uhpc加固技术有机组合，取长补短，通过先张拉预应力钢绞线，预应力钢绞线通过锚固装置与被加固的混凝土桥面板组合，然后浇筑uhpc加固层，uhpc加固层与预应力钢绞线粘结形成整体，共同受力。原受损混凝土桥面板在预应力钢绞线和uhpc加固层的双重约束作用下，其裂缝形成和开展均明显延缓；同时，得益于预应力钢绞线和uhpc的高强性能，结构刚度和承载能力均得到明显增强，桥梁整体的服役性能和使用寿命可大幅提升。

70、二、结构耐久性方面：uhpc抗渗透性、抗冻融和耐化学腐蚀等耐久性指标远强于普通混凝土。uhpc加固层可有效保护自身(包括内部预应力钢绞线)和原受损混凝土桥面板不受外部环境侵蚀，并解决混凝土桥面普遍存在的开裂渗水问题；同时，uhpc与普通混凝土之间粘结性能优异，接触面经凿毛和植筋处理后，其抗剪性能进一步提升，可避免加固层发生剥离破坏，加固耐久可靠。

71、三、技术适用性方面：本发明的混凝土桥面板负弯矩区的预应力uhpc抗弯加固结构具有施工便捷、加固高效且耐久性良好等特点；同时，uhpc加固层体积小、自重轻，对结构自重影响较小；此外，uhpc材料施工和易性好，可塑性强；因此，预应力uhpc抗弯加固结构可适用于不同劣化程度、不同外部环境和不同结构形式的混凝土桥面板负弯矩区的加固改造，适用性强。

72、四、社会经济效益方面：与桥梁重建相比，受损混凝土桥面板采用预应力uhpc抗弯加固结构可大幅减少建设成本，降低碳排放量，迎合了我国的双碳政策要求和桥梁工程可持续发展理念。与其他加固技术相比：预应力uhpc抗弯加固结构可实现受损混凝土桥面板结构增强和耐久防护的一体化加固，后期无需反复加固，投资成本低，管养费用少。