一種新型體外預應力加固裝置及其施工方法與流程
本發明涉及公路和市政橋梁加固技術，尤其是涉及解決混凝土箱梁出現豎向、橫向、斜向等裂縫時使用的一種新型體外預應力加固裝置，本發明還涉及使用該加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法。
背景技術：
根據對公路預應力混凝土箱梁病害的調查，從總的趨勢來看，跨徑大于60m的箱梁極易出現開裂現象，不同的橋梁只是裂縫性質、開裂部位和輕重程度有所不同。而混凝土箱梁上的裂縫極少出現單一裂縫形態的情況，通常情況下是多種裂縫形態并存。當這些裂縫發展到一定程度之后，橋梁將不能滿足使用要求，需要及時進行加固處理，以恢復使用功能。
目前常用的混凝土橋梁加固技術中，體外預應力加固作為一種主動加固技術具有能夠減少梁體下撓及封閉混凝土裂縫的優點，但該技術也存在著施工復雜、操作空間要求較高的缺點。橫張預應力加固作為一種可以克服上述缺點的技術在工程實踐中也得到了一定的應用，例如在發明專利《混凝土梁板橫向張拉環氧涂層鋼筋有粘結預應力加固方法》（申請號 201010275479.1，公布號 CN 101929131 A）中就提出了一種橫向張拉技術，以環氧涂層鋼筋替代鋼絞線或普通熱軋鋼筋作為橫張預應力筋對結構施加預應力，雖然該方法相比現有的預應力加固技術具有造價較低和施工方便的優點，但是該種方法存在的不足之處并不利于其在工程實踐中的應用，主要體現在如下方面：
（1）錨固點不牢靠。該方法中將預應力鋼筋與預先錨固在梁上的鋼板進行焊接，該焊接點處在橋梁運營過程中容易產生疲勞現象而導致失效，從而使梁體上施加的預應力喪失。
（2）預應力鋼筋不易更換。該方法中將橫張預應力直接焊接在錨固鋼板上，在預應力鋼筋出現損壞的情況下不容易進行更換。
（3）不能施加較大的預應力。由于鋼筋強度以及張拉設備的限制，不能施加較大的預應力。
（4）只適合解決平面裂縫問題。該方法主要用于腹板豎向裂縫的處理，難以同時處置腹板豎向裂縫和頂板縱向裂縫。
技術實現要素：
本發明的目的在于針對上述現有技術存在的缺陷，提供一種新型體外預應力加固裝置，本發明還提供使用該加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法。本發明的體外預應力加固方法既保留了橫向預應力技術的優點，又依靠可以縱、橫向拼接的橫張預應力單元實現在混凝土箱梁內形成三向預應力體系及在不同位置施加不同預應力度的目的。
為實現上述目的，本發明可采取下述技術方案：
本發明所述的新型體外預應力加固裝置，包括錨固在混凝土橋梁病害區域周邊的預應力加固件，所述預應力加固件由多個預應力單元組成，所述預應力單元包括左右間隔對稱設置的兩組帶有預應力束孔道的錨固塊，兩組錨固塊之間的連線呈矩形結構；在每組錨固塊之間分別設置有單元預應力束，所述單元預應力束的兩端分別從該錨固塊上的預應力束孔道內穿出并固定，在兩根單元預應力束的中部分別卡固有定位槽板，在兩個所述定位槽板之間穿設有預應力調整螺桿，延伸出兩個所述定位槽板之外的預應力調整螺桿上旋擰有調整螺母。
若病害區域較大，則需要安裝多個預應力單元，兩預應力單元的兩個相鄰錨固塊之間分別設置有連接預應力束，在所述連接預應力束的中部分別卡固有輔助定位槽板，在兩個所述輔助定位槽板之間穿設有輔助調整螺桿，延伸出兩個所述定位槽板之外的錨固螺桿上旋擰有輔助調整螺母。
使用本發明的加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法包括下述步驟：
第一步，根據混凝土箱梁病害情況和結構分析結果，確定沿縱向、豎向和橫向三個方向所需要的預應力單元個數以及拼接方案；
第二步，按照設計位置，依次在箱梁的頂板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上植入錨栓，之后將單個預應力單元的四個錨固塊與對應的錨栓固連，并安裝預應力單元內的單元預應力束、定位槽板、預應力調整螺桿和調整螺母；
第三步，安裝預應力單元之間的連接預應力束、輔助定位槽板、輔助調整螺桿及輔助調整螺母；
第四步，將預應力單元的調整螺母和預應力單元之間的輔助調整螺母旋進設計距離，從而獲得索內的預應力；
第五步，對所有外露鋼構件進行防腐處理；
第六步，定期監控單元預應力束和連接預應力束的數值，必要時進行預應力值調整。
與現有橫張預應力加固技術相比，本發明加固裝置和施工方法的優點可體現在以下幾個方面：
（1）提供了解決多種裂縫形態的統一處置方案。本發明為單元式結構，依據實際橋梁的具體裂縫情況，可以在縱向、豎向或橫向單個斷面上設置多個預應力單元，實現在混凝土箱梁上施加兩向或三向預應力。
（2）由于本加固件為單元式構造，可以在箱梁的不同位置選擇不同的單元形式及張拉力大小。也就是說，可以在箱梁的不同位置施加有差別的預應力度，更加有針對性的解決混凝土箱梁不同位置和不同危害程度的裂縫病害。
（3）根據具體加固的橋梁定制標準化的錨固裝置，避免了施工時在箱梁內部重新澆筑錨固塊的繁瑣。同時本發明的預應力單元可以在工廠內完成預制，易于控制產品質量及提高產品生產效率。
（4）本發明依靠自平衡系統解決了橫張預應力筋的固定問題，避免了常規橫張結構的諸如錨點變形、構造復雜等缺點。
（5）由于張拉件（預應力調整螺桿和調整螺母之間以及輔助調整螺桿和輔助調整螺母之間）的可調節性，可以方便對預應力鋼束后期進行預應力調整。
（6）加固系統整體位于箱梁內部，不影響橋梁外部景觀。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是橫向采用多個預應力單元時的安裝示意圖。
圖3是縱向采用多個預應力單元時的安裝示意圖。
圖4是本發明單個預應力單元張拉力計算用簡圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明的新型體外預應力加固裝置，包括錨固在混凝土橋梁7裂縫位置處的預應力加固件，本發明采用的預應力加固件由多個預應力單元組成，預應力單元包括左右間隔對稱設置的兩組（四個）帶有預應力束孔道1的錨固塊2，四個錨固塊之間的連線呈矩形結構；在左側和右側兩個錨固塊之間分別設置有單元預應力束3，單元預應力束3的兩端分別從左側和右側的上、下兩個錨固塊2上的預應力束孔道1內穿出并固定，在兩根單元預應力束3的中部分別卡固有定位槽板4，在兩個定位槽板4之間穿設有預應力調整螺桿5，延伸出兩個定位槽板之外的預應力調整螺桿5兩端旋擰有調整螺母6。
若箱梁的病害區域較大，則需要安裝多個預應力單元，圖2所示的就是橫向采用多個預應力單元時的安裝示意圖：兩預應力單元的兩個相鄰錨固塊之間分別設置連接預應力束8，在連接預應力束8的中部分別卡固有輔助定位槽板9，在兩個定位槽板9之間穿設有輔助調整螺桿10，延伸出兩個定位槽板之外的錨固螺桿上旋擰有輔助調整螺母。
使用本發明加固裝置加固混凝土箱梁裂紋的施工方法包括下述步驟：
第一步，根據混凝土箱梁病害情況和結構分析結果，確定沿縱向、豎向和橫向三個方向所需要的預應力單元個數以及拼接方案；同時確定如圖4所示每個橫向預應力單元中各個預應力筋的張拉力。以單個預應力單元為例，張拉力的計算方法如下：
1、張拉控制應力σcon的計算
索的張拉控制應力σcon與固定螺母6旋進距離s可按下列公式進行計算：假定在預緊狀態下錨固點到單根鋼束中點距離為h，初始索長為l0，調整螺母6旋進距離為s，根據圖4中所示的幾何關系：
可得：
預應力筋的伸長量：
預應力筋的張拉控制應力：
2、預應力損失的計算
在本橫張預應力系統中需計算三種預應力損失：體外預應力錨固端管道所產生的摩擦損失σl1，錨具變形、預應力筋回縮和接縫壓密損失σl2，預應力筋的松弛損失σl5。
（1）錨固端管道所產生的摩擦損失σl1：
式中：
k—單位長度管道軸線局部偏差的摩擦系數（1/m）；
x—管道累計長度（m）。
（2）錨具變形、預應力筋回縮和接縫壓密損失σl2:
式中:
EP,e—體外預應力筋的彈性模量；
Δl—錨具變形、預應力筋回縮和接縫壓密值；
l—預應力筋的計算總長度。
（3）鋼筋松弛引起的預應力損失終極值σl5:
式中：
Ψ—張拉系數；
ζ—鋼筋松弛系數，普通松弛ζ=1；低松弛ζ=0.3；
σP,ei—傳力錨固是體外預應力筋的應力，σP,ei=σcon—σl1—σl2；
fpk—體外預應力筋的張拉標準值。
正常使用階段，體外預應力筋的中的預應力為σPe,e=σcon—σl1—σl2—σl5。因此每個預應力單元在箱梁上建立的預加力為：
FV=NPe,esinθ=σPe,eAssinθ
FH=NPe,ecosθ=σPe,eAscosθ
式中：
FV—預應力單元在箱梁內建立的豎向力；
FH—預應力單元在箱梁內建立的水平力；
NPe,e—傳力錨固是體外預應力筋的內力；
σP,ei—傳力錨固是體外預應力筋的應力，σP,ei=σcon—σl1—σl2—σl5；
θ—長度中點處預應力筋與水平方向的交角；
As—預應力束的截面面積；
第二步，按照設計位置，首先在箱梁7的頂板和底板上或/和箱梁的上、下腹板上預先植入錨栓，之后將單個預應力單元的四個錨固塊2與對應的錨栓固連（在工廠加工錨固塊2時，可將預應力束孔道1以焊接的方式固定在錨固塊2上，同時根據設計要求預制單元預應力束3和定位槽板4；然后安裝單元預應力束3（將單元預應力束3的兩端穿入預應力束孔道1并在預應力束孔道1外通過錨具或直接焊接固定），定位槽板4、預應力調整螺桿5和調整螺母6，一個預應力單元安裝完成（如圖1所示）；重復上述步驟，將所有預應力單元全部安裝完畢；
第三步，安裝預應力單元之間的連接預應力束8、輔助定位槽板9、輔助調整螺桿10及輔助調整螺母；圖2為橫向多個預應力單元安裝示意圖，圖3為縱向預應力單元安裝示意圖；
第四步，將預應力單元的調整螺母6和兩預應力單元之間的輔助調整螺母旋進設計距離，從而獲得索內的預應力；
從圖2可以看出，如果將兩預應力單元橫向連接，則預應力單元通過橫向調整螺桿5和調整螺母6施加橫、豎向力，而兩預應力單元之間的連接預應力束9通過輔助調整螺桿11及輔助調整螺母施加橫、豎向力；
從圖3可以看出，如果將兩預應力單元縱向安裝，則每個預應力單元施加橫、縱向力，而兩預應力單元之間的連接預應力束8通過輔助調整螺桿10及輔助調整螺母施加橫、豎向力。
第五步，對所有外露鋼構件進行防腐處理；
第六步，定期監控單元預應力束3和橫向連接預應力束9的數值，必要時進行預應力值調整。
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