箱梁的无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固设计方法

摘要

本发明公开了一种箱梁的无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固设计方法，包括步骤：一、组合加固构造确定：对所加固箱梁的无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造进行确定；该组合加固构造包括由底钢板、两个纵向侧钢板和两个端部封堵钢板组成的钢套箱，钢套箱内设置有多根无粘结预应力钢筋；二、加固前箱梁结构参数确定；三、组合加固构造结构参数确定，过程如下：参数初始化、加固钢板理论最大厚度计算、加固钢板厚度与混凝土厚度确定和纵向侧钢板高度与底钢板宽度确定。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速确定桥梁组合加固结构的结构参数，所设计桥梁组合加固结构经济实用且加固效果好。

主权项

一种箱梁的无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、组合加固构造确定：对所加固箱梁(6)的无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造进行确定；所加固箱梁(6)为预应力混凝土梁；所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造包括布设在所加固箱梁(6)的需加固区下方的底钢板(1)、两个分别布设在所述需加固区左右两侧的纵向侧钢板(2)和两个分别布设在所述需加固区前后两端的端部封堵钢板，所述底钢板(1)和两个所述纵向侧钢板(2)均呈纵桥向布设，所述底钢板(1)和纵向侧钢板(2)均为平直钢板且二者的纵向长度均与所述需加固区的长度相同；两个所述端部封堵钢板均呈横桥向布设；所加固箱梁(6)呈水平布设且其包括一个呈水平布设的顶板、一个位于所述顶板正下方且呈水平布设的底板和左右两个连接于所述顶板与所述底板之间的腹板，两个所述腹板呈对称布设；所述底钢板(1)呈水平布设，两个所述纵向侧钢板(2)分别布设在两个所述腹板的底部外侧，每个所述纵向侧钢板(2)均与其所布设的腹板呈平行布设，两个所述纵向侧钢板(2)对称布设在底钢板(1)左右两侧上方，两个所述端部封堵钢板连接于两个所述纵向侧钢板(2)的前后两端之间，所述底钢板(1)、两个所述纵向侧钢板(2)和两个所述端部封堵钢板组成一个由下至上套装在所加固箱梁(6)的腹板下部的钢套箱，所述钢套箱的横截面为等腰梯形，所述钢套箱内设置有多根无粘结预应力钢筋(4)，且所述钢套箱内浇筑有混凝土结构(5)；所述混凝土结构(5)分为位于所述底板下方的底部混凝土结构和两个分别位于两个所述腹板外侧的侧部混凝土结构，两个所述侧部混凝土结构呈左右对称布设且二者的厚度均与所述底部混凝土结构的厚度相同，所述底钢板(1)和两个所述纵向侧钢板(2)的厚度均相同且三者的材质均相同；多根所述无粘结预应力钢筋(4)均布设在同一水平面上且其均位于所述底部混凝土结构的内侧中部，多根所述无粘结预应力钢筋(4)的直径和长度均相同且其呈均匀布设；步骤二、加固前箱梁结构参数确定：对所加固箱梁(6)的结构参数进行确定；所确定的所加固箱梁(6)的结构参数包括所加固箱梁(6)的底板内所设置纵向预应力钢筋(3)的截面面积A_p、所加固箱梁(6)内所设置纵向受压钢筋(6‑1)的截面面积A_sy′、纵向受压钢筋(6‑1)的抗压强度设计值f_sy′、所加固箱梁(6)内所设置纵向受拉钢筋(6‑2)的截面面积A_sy、纵向受拉钢筋(6‑2)的抗拉强度设计值f_sy、所加固箱梁(6)内受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离a_s′、所加固箱梁(6)内受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋(3)的合力点至截面受拉边缘的距离a₀、所述顶板的宽度b_f′、所述顶板的厚度h_f′、两个所述腹板的厚度之和b′、所加固箱梁(6)内受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋(3)的合力点至截面受压边缘的距离h₀和所加固箱梁(6)的梁高h₁，h₁为所加固箱梁(6)的梁体高度且其为从所述顶板顶面至所述底板底面的竖向距离，其中A_p、A_sy′和A_sy的单位均为mm²，f_sy′和f_sy的单位均为MPa，a_s′、a₀、b_f′、h_f′、b′、h₀和h₁的单位均为mm；h₀+a₀＝h₁；所述纵向受压钢筋(6‑1)位于所述顶板内，所述纵向受拉钢筋(6‑2)位于所述底板内，所述纵向受压钢筋(6‑1)和纵向受拉钢筋(6‑2)均为非预应力钢筋，且所加固箱梁(6)的中性轴位于所述顶板下方；步骤三、组合加固构造结构参数确定：根据步骤二中确定的所加固箱梁(6)的结构参数，采用数据处理设备对步骤一中所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造的结构参数进行确定；所确定的所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造的结构参数包括t_sp、h_spw、t_hn和b，其中t_sp为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的厚度，h_spw为纵向侧钢板(2)的宽度，t_hn为所述底部混凝土结构或所述侧部混凝土结构的厚度，b为底钢板(1)的宽度；对步骤一中所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造的结构参数进行确定时，过程如下：步骤301、参数初始化：采用与所述数据处理设备相接的参数输入单元，输入步骤二中确定的所加固箱梁(6)的结构参数，并对t_sp、b、h_spw和t_hn的初始值分别进行设定；其中，t_sp＝t_spm且t_spm＝5mm～7mm，t_hn＝t_hnm且t_hnm＝70mm～90mm；b＝b′+2t_sp+2t_hn (1)；(2)，其中c₀＝0.15～0.4，A为所述腹板与水平面之间的夹角且A≤90°，h为加固后梁体的高度且h＝h₁+t_hn+t_sp (3)，纵向侧钢板(2)的竖向高度h_spv＝c₀×h；所述加固后梁体为采用所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造对所加固箱梁(6)进行加固后的梁体；步骤302、加固钢板理论最大厚度计算：所述数据处理设备根据公式t_spmax＝min(t_sp1,t_sp2,t_sp3)  (4)，计算得出加固钢板理论最大厚度t_spmax；公式(4)中，$t_{sp1}=\frac{{\alpha }_1{f}_c\left({b_f}^{\prime }-b^{\prime }\right){h_f}^{\prime }+{\alpha }_1{f}_c{b}^{\prime }{\xi }_1{h}_0\beta +{f_{sy}}^{\prime }{A_{sy}}^{\prime }-f_{sy}{A}_{sy}-f_{py}{A}_{py}}{E_{sp}{ϵ}_{sp1}b+2E_{sp}{ϵ}_{spw1}{h}_{spw}}---\left(4-1\right);$$t_{sp2}=\frac{{\alpha }_1{f}_c({b_f}^{\prime }-b^{\prime }){h_f}^{\prime }+{\alpha }_1{f}_c{b}^{\prime }{\xi }_2{h}^{\prime }\beta +{f_{sy}}^{\prime }{A_{sy}}^{\prime }-E_{py}\left({ϵ}_{s1}+\frac{{\sigma }_{p0}}{E_{py}}\right)A_{py}-E_{sy}{ϵ}_{s2}{A}_{sy}}{f_{spy}b+2E_{sp}{ϵ}_{spw2}{h}_{spw}}---(4-2);$$t_{sp3}=\frac{{\alpha }_1{f}_c({b_f}^{\prime }-b^{\prime }){h_f}^{\prime }+{\alpha }_1{f}_c{b}^{\prime }{\xi }_3\left(h-t_{sp}-\frac{h_{spv}}{2}\right)\beta +{f_{sy}}^{\prime }{A_{sy}}^{\prime }-E_{py}\left({ϵ}_{s3}+\frac{{\sigma }_{p0}}{E_{py}}\right)A_{py}-E_{sy}{ϵ}_{s4}{A}_{sy}}{E_{sp}{ϵ}_{sp2}b+2f_{spy}{h}_{spw}}---\left(4-3\right);$公式(4‑1)、公式(4‑2)和(4‑3)中，α₁为所述加固后梁体的受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，f_c为所加固箱梁(6)的混凝土轴心抗压强度设计值且其单位为MPa，β为所述加固后梁体的受压区混凝土矩形应力图受压区高度与中性轴高度的比值且β＝0.8；E_sy为所加固箱梁(6)内所设置纵向受拉钢筋(6‑2)的弹性模量且其单位为MPa；E_py为所加固箱梁(6)内所设置纵向预应力钢筋(3)的弹性模量且其单位为MPa；E_sp为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的弹性模量且其单位为MPa；A_py为所加固箱梁(6)所设置纵向预应力钢筋(3)的横截面积且其单位为mm²；公式(4‑1)中，其中ε_cu为所加固箱梁(6)的受压区混凝土极限压应变，σ_p0为所加固箱梁(6)内所设置纵向预应力钢筋(3)的钢筋合力点混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力值且其单位为MPa；f_py为纵向预应力钢筋(3)的抗拉强度设计值且其单位为MPa；对ε_sp1进行计算时，先根据公式(4‑11)，计算得出ε_sp10；再判断ε_sp10是否大于当时，否则，ε_sp1＝ε_sp10；其中或h'＝h；ε_spy为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的屈服应变；ε_i1为考虑二次受力影响时底钢板(1)的滞后应变；f_spy为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的钢板抗拉强度设计值且其单位为MPa；对ε_spw1进行计算时，先根据公式(4‑12)，计算得出ε_spw10；再判断ε_spw10是否大于当时，否则，ε_spw1＝ε_spw10；其中ε_i2为考虑二次受力影响时纵向侧钢板(2)的滞后应变；公式(4‑2)中，对ε_s1进行计算时，先根据公式(4‑21)，计算得出ε_s10；再判断ε_s10是否大于当时，否则，ε_s1＝ε_s10；对ε_s2进行计算时，判断ε_s10是否大于当时，否则，ε_s2＝ε_s10；对ε_spw2进行计算时，先根据公式(4‑22)，计算得出ε_spw20；再判断ε_spw20是否大于当时，否则，ε_spw2＝ε_spw20；公式(4‑3)中，对ε_s3进行计算时，先根据公式(4‑31)，计算得出ε_s30；再判断ε_s30是否大于当时，否则，ε_s3＝ε_s30；对ε_s4进行计算时，判断ε_s30是否大于当时，否则，ε_s4＝ε_s30；对ε_sp2进行计算时，先根据公式(4‑31)，计算得出ε_sp20；再判断ε_sp20是否大于当时，否则，ε_sp2＝ε_sp20；步骤303、加固钢板厚度与混凝土厚度确定：采用所述数据处理设备对t_sp和t_hn分别进行确定，过程如下：步骤3031、超筋判断：判断步骤302中计算得出的加固钢板理论最大厚度t_spmax是否小于t_spm：当t_spmax＜t_spm时，判断为此时所述加固后梁体处于超筋状态，并进入步骤3032；否则，当t_spmax≥t_spm时，判断为此时所述加固后梁体处于未超筋状态，并进入步骤3033；步骤3032、参数增大调整，包括以下步骤：步骤30321、混凝土厚度增大调整及混凝土厚度超限判断：将t_hn增大Δt_hn，并对增大后的t_hn进行混凝土厚度超限判断：当增大后的t_hn＞t_hnM时，判断为混凝土厚度超限，将增大后的t_hn减小Δt_hn，并进入步骤30322；否则，当增大后的t_hn≤t_hnM时，判断为混凝土厚度未超限，并进入步骤30323；其中，Δt_hn＝15mm～25mm；t_hnM为预先设定的所述底部混凝土结构或所述侧部混凝土结构的最大厚度；步骤30322、加固钢板厚度增大调整：将t_sp增大Δt_sp，并进入步骤30323；其中，Δt_sp＝1mm～3mm；步骤30323、加固钢板理论最大厚度计算及超筋判断：按照步骤302中所述的方法，计算得出此时加固钢板理论最大厚度t_spmax，并判断t_spmax是否小于t_spm：当t_spmax＜t_spm时，判断为此时所述加固后梁体处于超筋状态，返回步骤30321；否则，当t_spmax≥t_spm时，判断为此时所述加固后梁体处于未超筋状态，并进入步骤3033；步骤3033、抗弯承载力验证：调用抗弯承载力计算模块且根据公式所述数据处理设备根据公式对此时所述加固后梁体的抗弯承载力M_u进行计算，并将计算得出的M_u与M_u′进行差值比较：当M_u＜M_u′时，返回步骤3032；否则，当M_u≥M_u′时，完成混凝土厚度和加固钢板厚度确定过程并输出t_hn和t_sp，再进入步骤304；公式(5)中，x为所述加固后梁体的混凝土受压区高度；A_py为所加固箱梁(6)所设置纵向预应力钢筋(3)的横截面积，A_sp为底钢板(1)的横截面积且A_sp＝b·t_sp，A_spw为纵向侧钢板(2)的横截面积且A_spw＝t_sp·h_spw；σ_pk为预先确定的无粘结预应力钢筋(4)的应力值，A_pk为所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造内所设置无粘结预应力钢筋(4)的截面面积；a为所述无粘结预应力与钢板‑混凝土组合加固构造内所设置无粘结预应力钢筋(4)的重心与所加固箱梁(6)内受拉区纵向非预应力钢筋与纵向预应力钢筋(3)的合力点之间的距离且其中，σ_pk的单位为MPa，b、x和a的单位均为mm，A_sp、A_spw和A_pk的单位均为mm²；步骤304、纵向侧钢板高度与底钢板宽度确定：结合步骤303中输出的t_sp和t_hn，所述数据处理设备根据公式(1)计算得出底钢板(1)的宽度b并输出b；同时，所述数据处理设备先根据公式(3)计算得出所述加固后梁体的高度h，再根据公式(2)计算得出纵向侧钢板(2)的高度h_spw并输出h_spw。