CN116377902A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明提供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。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，施工便捷、加固高效、耐久性良好。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和施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，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
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。
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。
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。
发明内容
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。
本发明的技术方案如下：
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。
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。
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。
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；
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。
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。
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。
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：
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；
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；
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；
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。
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：
条件①：
αpfpdAp+futbuhu+fsd0As0+fpd0Ap0≤fcdb′fh′f+f′sd0A′s0+(f′py0-σ′p0)A′p0
符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcdb′fx＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0；
不符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcd[bx+(b′f-b)h′f]
＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0；
混凝土受压区高度均应符合以下条件：
2a′≤x≤ξbh01
式中：
γ0——桥梁结构的重要性系数，按规范采用；
Md——构件加固后弯矩设计值；
αp——新增预应力钢绞线强度利用系数，取0.9；
fpy——新增预应力钢绞线抗拉强度设计值；
fut——UHPC轴心抗拉强度设计值；
fcd——原构件普通混凝土轴心抗压强度设计值；
fut——UHPC抗拉强度设计值；
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；
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；
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；
Ap——新增预应力钢绞线截面面积；
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；
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；
x——混凝土受压区高度；
ξb——原构件截面相对界限受压区高度；
b——为矩形截面宽度或T型或I型截面腹板厚度；
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；
bu、hu——分别为UHPC加固层截面宽度和厚度；
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；
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；
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。
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：
步骤S1，混凝土桥面板界面处理，具体如下：
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；
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：
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；
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；
步骤S3，预应力钢绞线的张拉和锚固，具体如下：
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；
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；
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；
步骤S4，UHPC加固层现浇施工，具体如下：
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；
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；
步骤S5，UHPC加固层养护。
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；
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；
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。
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：
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。
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。
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。
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构的结构示意图；
图2为图1中的A-A剖面示意图；
图3为混凝土桥面板上缘界面处理平面图；
图4为混凝土桥面板下缘界面处理平面图；
图5为本发明中预制钢-UHPC转向装置的结构示意图；
图6为预制钢-UHPC转向装置的安装示意图；
图7为本发明中预制UHPC锚固装置的结构示意图；
图8为预制UHPC锚固装置的安装示意图。
附图标记：1—混凝土桥面板，11-凿毛表面，12-桥面板植筋，13-预应力钢绞线凹槽通道，14-转向装置安装凹槽，15-桥面板预应力钢绞线孔道，16-混凝土桥面板受力钢筋，17-转向装置植筋孔，18-锚固装置螺栓孔，19-高强螺栓；
2-加固结构；
21-预应力钢绞线；
22-UHPC加固层；
23-预制UHPC锚固装置，231-预制UHPC锚固块，232-单孔锚具，233-螺栓孔道，234-锚固装置预应力钢绞线孔道，235-封锚凹槽；
24-预制钢-UHPC转向装置，241-预制UHPC转向块，242-转向块加劲钢板，243-转向装置外伸钢筋，244-转向装置预应力钢绞线通孔，245-预留坡口，246-钢板-钢筋坡口焊缝；
25-增韧钢筋网。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
本发明的加固结构用于对混凝土桥面板1负弯矩区进行加固。请结合参阅图1-图8，本发明的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构2包括铺设于桥面板的预应力钢绞线21、浇筑于桥面板并与预应力钢绞线粘结形成整体的UHPC加固层22、预制UHPC锚固装置23及预制钢-UHPC转向装置24，UHPC加固层22采用速凝、减缩UHPC材料现浇而成，并配置增韧钢筋网25，预制钢-UHPC转向装置24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，预应力钢绞线21由预制UHPC锚固装置23锚固在混凝土桥面板下缘。
加固前，混凝土桥面板1上缘须进行界面处理，处理后的混凝土桥面板包括凿毛表面11、插入凿毛表面的桥面板植筋12，以提高UHPC加固层22和混凝土桥面板1接触面的抗剪强度。同时，须在混凝土桥面板1的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13、用于安装预制钢-UHPC转向装置的转向装置安装凹槽14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15。
凿毛表面11采用浅凿毛处理，露出混凝土桥面板1普通混凝土粗骨料。转向装置安装凹槽14须进行深度凿毛处理，露出混凝土桥面板受力钢筋16，并钻设转向装置植筋孔17，便于预制钢-UHPC转向装置24的焊接安装固定。
混凝土桥面板1下缘须进行界面处理，清除预制UHPC锚固装置安装接触面的破碎混凝土和残渣，并在设计位置开设锚固装置螺栓孔18，通过在锚固装置螺栓孔18植插高强螺栓19，实现预制UHPC锚固装置23的安装固定。
UHPC加固层22中的预应力钢绞线21按设计荷载计算进行配置；UHPC加固层22采用速凝、减缩UHPC材料现浇而成，并配置增韧钢筋网25，以缩短施工工期，提升UHPC加固层22的抗拉强度，避免UHPC加固层22产生的塑性收缩裂缝。具体的，速凝、减缩UHPC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25采用HRB400级钢筋，直径范围为Φ8～Φ12。UHPC加固层22与预应力钢绞线21、增韧钢筋网25粘结形成整体，并与混凝土桥面板1通过新老混凝土粘结作用和桥面板植筋12连接固定。
预制UHPC锚固装置23包括预制UHPC锚固块231、单孔锚具232，预制UHPC锚固块231预留了螺栓孔道233、锚固装置预应力钢绞线孔道234和封锚凹槽235，单孔锚具232用于将预应力钢绞线的两端锚固在预制UHPC锚固块231的钢垫板上；
预制UHPC锚固装置23与混凝土桥面板1通过高强螺栓19连接固定，其中高强螺栓19穿过混凝土桥面板的锚固装置螺栓孔18和UHPC锚固块231预留的螺栓孔道233。预制UHPC锚固装置23安装固定后，在封锚凹槽内注入速凝UHPC灌浆料。
预制钢-UHPC转向装置24包括预制UHPC转向块241、包覆于预制UHPC转向块241表面的转向块加劲钢板242；其中预制UHPC转向块241预埋了转向装置外伸钢筋243，并开设有转向装置预应力钢绞线通孔244，转向装置外伸钢筋243与桥面板的转向装置植筋孔17配对；转向块加劲钢板242预留坡口245，便于与混凝土桥面板受力钢筋16焊接固定；
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243插入转向装置植筋孔17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242与混凝土桥面板受力钢筋16焊接，形成钢板-钢筋坡口焊缝，实现预制钢-UHPC转向装置的安装固定。
本发明的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：
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；
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；
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；
具体的，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：
条件①：
αpfpdAp+futbuhu+fsd0As0+fpd0Ap0≤fcdb′fh′f+f′sd0A′s0+(f′py0-σ′p0)A′p0
符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcdb′fx＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0
不符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcd[bx+(b′f-b)h′f]
＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0
混凝土受压区高度均应符合以下条件：
2a′≤x≤ξbh01
式中：
γ0——桥梁结构的重要性系数，按规范采用；
Md——构件加固后弯矩设计值；
αp——新增预应力钢绞线强度利用系数，取0.9；
fpy——新增预应力钢绞线抗拉强度设计值；
fut——UHPC轴心抗拉强度设计值；
fcd——原构件普通混凝土轴心抗压强度设计值；
fut——UHPC抗拉强度设计值；
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；
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；
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；
Ap——新增预应力钢绞线截面面积；
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；
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；
x——混凝土受压区高度；
ξb——原构件截面相对界限受压区高度；
b——为矩形截面宽度或T型或I型截面腹板厚度；
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；
bu、hu——分别为UHPC加固层截面宽度和厚度；
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；
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；
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。
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。
在某一具体实施例中，某变截面预应力混凝土连续箱梁桥，为将荷载等级提高至公路I级，需进行加固设计；原结构主梁采用C50混凝土，支点截面梁高4m，顶板宽16m、厚300mm，腹板宽度为900mm，底板宽8m、厚500mm，截面有效高度约为3.75m，底板有效宽度按规范计算约为5.5m；最外层钢筋保护层厚度为40mm；受拉区预应力钢绞线抗拉强度设计值为1260MPa、总截面面积为35840mm2；承载能力极限状态最不利组合下，主梁支点截面弯矩设计值为190862.3kN·m；
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，包括以下步骤：
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；
原构件混凝土强度：C50，轴心抗压强度设计值fcd为22.4MPa；
原构件主梁支点截面尺寸：梁高4m、顶板宽16m、厚300mm；
原构件配筋：受拉区预应力钢绞线面积35840mm2、抗拉强度设计值fpd0为1260MPa；
支点截面弯矩设计值：190862.3kN·m；
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数量和面积；
顶板厚300mm，最外层钢筋保护层厚度为40mm，初步拟定预应力钢绞线凹槽深度为40mm，UHPC加固层厚度取顶板厚度的20％，即60mm，选取钢纤维体积参数为3％的增韧UHPC，轴心抗拉强度设计值为6.7MPa；顶板宽16m，其中箱室内部宽6.2m，两侧翼缘宽度共8m，按平均每米宽度布置4根预应力钢绞线，总共布置56根预应力钢绞线，选取公称直径为15.2mm的低松弛预应力钢绞线，公称面积为140mm2，抗拉强度设计值为fpd为1260MPa；
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，确定预应力钢绞线面积；
正截面承载力验算：
条件①：
αpfpdAp+futbuhu+fsd0As0+fpd0Ap0≤fcdb′fh′f+f′sd0A′s0+(f′py0-σ′p0)A′p0
计算：
0.9×1260×140×56+6.7×16000×60+1260×35840＝60480960＜22.4×5500×500＝61600000
计算结果符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
计算：
承载力满足要求。
混凝土受压区高度计算：
22.4×550x＝0.9×1260×140×56+6.7×16000×60+1260×35840
得到：2a′＝80＜x＝491＜ξbh01＝1500，满足要求。
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抗弯加固装置的具体加固方案。
承载力复核满足设计要求，混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固装置中UHPC加固层厚度可按60mm进行设计，预应力钢绞线采用56根Φ15.2低松弛预应力钢绞线、在桥面板内平行布置，其中箱室内部可布置24根，两侧翼缘可布置32根。
本发明的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：
步骤S1，混凝土桥面板界面处理，具体如下：
对混凝土桥面板1与UHPC加固层22的接触面进行界面处理，包括进行混凝土桥面板凿毛和植插桥面板植筋，开设预应力钢绞线凹槽通道13和转向装置安装凹槽14，并在端部钻设桥面板预应力钢绞线孔道15；对转向装置安装凹槽14进行深度凿毛处理，露出混凝土桥面板受力钢筋16，并钻设转向装置植筋孔17；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；
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：
在混凝土桥面板中的转向装置植筋孔17内注入速凝植筋胶，并快速将转向装置外伸钢筋243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，形成钢板-钢筋坡口焊缝246，实现预制钢-UHPC转向装置的安装固定；
将预制UHPC锚固块预留螺栓孔道233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；
步骤S3，预应力钢绞线的张拉和锚固，具体如下：
依次在预应力钢绞线凹槽通道13、转向装置预应力钢绞线孔道244、桥面板预应力钢绞线孔道15和锚固装置预应力钢绞线孔道234内穿设预应力钢绞线；
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232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；
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；
步骤S4，UHPC加固层现浇施工，具体如下：
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；
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234、转向装置预应力钢绞线孔道244和桥面预应力钢绞线孔道15压注UHPC拌合料，然后在模板内部浇筑UHPC加固层；
步骤S5，UHPC加固层养护，具体如下：
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；
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；
待UHPC加固层达到预期强度后拆除模板，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。
本发明的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，将预应力主动加固技术和UHPC被动加固技术进行有机组合，其中预应力钢绞线的使用可大幅提升原结构的刚度和承载能力，并有效约束桥面损伤裂缝的进一步开展。UHPC的使用，既对原混凝土桥面结构具有耐久保护作用，防止原混凝土桥面出现进一步的耐久性损伤和劣化，同时，UHPC又能保护内部预应力钢绞线和加固层钢筋不受外部环境侵蚀，保证加固耐久可靠。本发明中预制UHPC锚固块的使用，充分利用了UHPC材料的超高抗压性能，可有效缓和预应力钢绞线锚固点的应力集中问题。本发明中预制钢-UHPC转向块，体积小、易安装，为锚固在混凝土桥面板下缘的预应力钢绞线在桥面实现方向转变提供了必备的技术设施。
本发明可突破传统桥面加固方法在加固效率、耐久性和适用性等方面的技术瓶颈，对混凝土桥梁负弯矩区受损桥面板实现高效、耐久的一体化加固，可有效解决桥面板开裂渗水、钢筋锈蚀和承载力不足等病害问题，从而大幅提升危旧桥梁的服役性能和使用寿命。
以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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。
4.根据权利要求2所述的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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；
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。
5.根据权利要求2所述的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的混凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构，其特征在于，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。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的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，其特征在于，包括如下步骤：
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；
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；
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；
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。
8.根据权利要求7所述的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，其特征在于，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：
条件①：
αpfpdAp+futbuhu+fsd0As0+fpd0Ap0≤fcdb′fh′f+f′sd0A′s0+(f′py0-σ′p0)A′p0
符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcdb′fx＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0；
不符合条件①，正截面承载力按如下公式进行验算：
混凝土受压区高度计算：
fcd[bx+(b′f-b)h′f]
＝αpfpdAp+futbhu+fsd0As0+fpd0Ap0-f′sd0A′s0-(f′py0-σ′p0)A′p0；
混凝土受压区高度均应符合以下条件：
2a′≤x≤ξbh01
式中：
γ0——桥梁结构的重要性系数，按规范采用；
Md——构件加固后弯矩设计值；
αp——新增预应力钢绞线强度利用系数，取0.9；
fpy——新增预应力钢绞线抗拉强度设计值；
fut——UHPC轴心抗拉强度设计值；
fcd——原构件普通混凝土轴心抗压强度设计值；
fut——UHPC抗拉强度设计值；
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；
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；
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；
Ap——新增预应力钢绞线截面面积；
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；
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；
x——混凝土受压区高度；
ξb——原构件截面相对界限受压区高度；
b——为矩形截面宽度或T型或I型截面腹板厚度；
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；
bu、hu——分别为UHPC加固层截面宽度和厚度；
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；
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；
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。
9.一种如权利要求1-6中任一项所述的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，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，混凝土桥面板界面处理，具体如下：
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；
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：
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；
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；
步骤S3，预应力钢绞线的张拉和锚固，具体如下：
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；
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；
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；
步骤S4，UHPC加固层现浇施工，具体如下：
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；
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；
步骤S5，UHPC加固层养护。
10.根据权利要求9所述的凝土桥面板负弯矩区预应力UHPC抗弯加固结构的施工方法，其特征在于，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；
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；
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。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118498774A (zh) * | 2024-06-11 | 2024-08-16 | 重庆交通大学 | 一种uhpc薄层加固的薄壁结构及加工方法 |
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2023
- 2023-05-15 CN CN202310541290.XA patent/CN116377902A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118498774A (zh) * | 2024-06-11 | 2024-08-16 | 重庆交通大学 | 一种uhpc薄层加固的薄壁结构及加工方法 |
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