混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法技术

本发明专利技术公开了一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法，包括步骤：一、组合加固构造确定：对所加固T型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T型梁结构参数确定；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。本发明专利技术方法步骤简单、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于桥梁加固
，尤其是涉及一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法。
技术介绍
据2007年调查显示，我国共有桥梁57万余座，其中危桥98600余座，占17％左右，而且每年亦有大量公路桥梁由于设计等级较低、交通量不断增大或受各种因素的影响出现了各种病害与灾害损伤,导致承载能力下降，不能满足交通运输的需要。对这些桥梁结构进行维修和加固已迫在眉睫，因此，桥梁维修、加固及改造技术研究已成为桥梁科技发展的重要方向。目前，桥梁上部结构加固主要采用粘贴钢板和粘贴碳纤维布等方法，加固应用过程中上述两种方法对桥梁承载能力和刚度的提高效果不明显，粘胶性能和质量对加固效果和结构耐久性影响较大，并且粘贴钢板结构在动荷载作用下易发生剥离脱空，抗疲劳性能不甚理想。另外，当桥梁上部结构的跨中截面下缘不允许出现拉应力或所受拉应力超限时，往往需要进行预应力加固，常见的预应力加固措施为体外预应力混凝土加固法，该加固方法的施工过程如下：先在梁侧面或底面植入带肋钢筋，再在植筋上绑扎钢筋网，之后定位预应力钢筋，并浇筑混凝土(或布设锚固块及转向块)，待所浇筑混凝土达到设计强度后张拉预应力筋，预应力筋的布置形式为直线形型或折线形。上述体外预应力混凝土加固法虽可在一定程度上起到预应力加固的作用，但存在以下不足之处：第一、需在梁侧或梁底新增一层厚度约为20cm～50cm的混凝土，桥梁自重增加程度较大，且外观不规整，影响美观；第二、预应力筋裸露在空气中，需定期采取措施防止预应力筋锈蚀，养护困难，后期养护费用高；第三、新增预应力筋的动力性能较差，需安装减震装置以减小预应力筋与结构的共振效应；第四、根据结构受力及构造特点需将预应力筋弯起锚固，弯起定位主要靠转向块来实现，转向块及锚固块处应力较为集中；转向块一旦松动或滑移，将产生极大的预应力损失甚至预应力失效；第五、对原结构的刚度贡献非常有限。综上，现有的箱梁预应力加固方法存在加固结构外观不规整、预应力筋维护困难、费用高、新增预应力筋动力性能较差、易失效等问题。随着材料科学的发展，新型、实用的加固改造技术不断出现，但还未能适应交通基础设施养管技术进步的迫切需求。近年来，钢板-混凝土组合加固方法逐渐受到重视，该组合加固方法运用钢板与混凝土两种材料，综合钢板与混凝土两种材料的优势，并且将预应力加固与钢板-混凝土组合加固方法结合后，能有效提高桥梁承载力与结构刚度。但采用预应力加固与钢板-混凝土组合加固方法对桥梁进行加固时，组合加固结构的结构设计至关重要，加固结构设计是否合理直接影响桥梁加固成本和加固效果，不仅投入成本高，经济性差，并且导致加固后桥梁受力不合理、力学性能差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法，其方法步骤简单、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。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法，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T型梁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T型梁为钢筋混凝土梁；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T型梁的需加固区下方的底钢板、两个分别布设在所述需加固区左右两侧的纵向侧钢板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，所述底钢板和两个所述纵向侧钢板均呈纵桥向布设，所述底钢板和纵向侧钢板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T型梁呈水平布设且其包括一个呈水平布设的翼板和一个位于所述翼板正下方的腹板，所述腹板呈竖直向布设；所述底钢板呈水平布设，两个所述纵向侧钢板均呈竖直向布设且二者对称布设在底钢板左右两侧上方，两个所述端部封堵钢板连接于两个所述纵向侧钢板的前后两端之间，所述底钢板、两个所述纵向侧钢板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T型梁的腹板下部的钢套箱，所述钢套箱内设置有多根无粘结预应力钢筋，且所述钢套箱内浇筑有混凝土结构；所述混凝土结构分为位于所述腹板下方的底部混凝土结构和左右两个分别位于所述腹板左右两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，所述底钢板和两个所述纵向侧钢板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的直径和长度均相同且其呈均匀布设；步骤二、加固前T型梁结构参数确定：对所加固T型梁的结构参数进行确定；所确定的所加固T型梁的结构参数包括所加固T型梁内所设置纵向受压钢筋的截面面积Asy′、纵向受压钢筋的抗压强度设计值fsy′、所加固T型梁内所设置纵向受拉钢筋的截面面积Asy、纵向受拉钢筋的抗拉强度设计值fsy、所加固T型梁内受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离as′、所加固T型梁内所设置纵向受拉钢筋的重心与所述腹板底部的距离a0、所述翼板的宽度bf′、所述翼板的厚度hf′、所述腹板的宽度b′以及所加固T型梁的梁高h1和截面有效高度h01，h1为所述翼板与所述腹板的高度之和，h01为所加固T型梁内受拉区纵向非预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，其中Asy′和Asy的单位均为mm2，fsy′和fsy的单位均为MPa，as′、a0、bf′、hf′、b′、h1和h01的单位均为mm；所述纵向受压钢筋位于所述翼板内，所述纵向受拉钢筋位于所述腹板内，所述纵向受压钢筋和纵向受拉钢筋均为非预应力钢筋，且所加固T型梁的中性轴从所述翼板内穿过；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T型梁的结构参数，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tsp、hspw、thn和b，其中tsp为底钢板或纵向侧钢板的厚度，hspw为纵向侧钢板的高度，thn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T型梁的结构参数，并对tsp、b、hspw和thn的初始值分别进行设定；其中，tsp＝tspm且tspm＝5mm～7mm，thn＝thnm且thnm＝70mm～90mm；b＝b′+2tsp+2thn (1)；hspw＝c0×h(2)，其中c0＝0.15～0.4，h为加固后梁体的高度且h＝h1+thn+tsp (3)；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T型梁进行加固后的梁体；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tspmax＝min(tsp1,tsp2,tsp3) (4)，计算得出加固钢板理论最大厚度tspmax；本步骤中，对加固钢板理论最大厚度tspmax本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法，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T型梁(3)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T型梁(3)为钢筋混凝土梁；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T型梁(3)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T型梁(3)呈水平布设且其包括一个呈水平布设的翼板和一个位于所述翼板正下方的腹板，所述腹板呈竖直向布设；所述底钢板(1)呈水平布设，两个所述纵向侧钢板(2)均呈竖直向布设且二者对称布设在底钢板(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T型梁(3)的腹板下部的钢套箱，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)分为位于所述腹板下方的底部混凝土结构和左右两个分别位于所述腹板左右两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T型梁结构参数确定：对所加固T型梁(3)的结构参数进行确定；所确定的所加固T型梁(3)的结构参数包括所加固T型梁(3)内所设置纵向受压钢筋(6‑1)的截面面积Asy′、纵向受压钢筋(6‑1)的抗压强度设计值fsy′、所加固T型梁(3)内所设置纵向受拉钢筋(6‑2)的截面面积Asy、纵向受拉钢筋(6‑2)的抗拉强度设计值fsy、所加固T型梁(3)内受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离as′、所加固T型梁(3)内所设置纵向受拉钢筋(6‑2)的重心与所述腹板底部的距离a0、所述翼板的宽度bf′、所述翼板的厚度hf′、所述腹板的宽度b′以及所加固T型梁(3)的梁高h1和截面有效高度h01，h1为所述翼板与所述腹板的高度之和，h01为所加固T型梁(3)内受拉区纵向非预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，其中Asy′和Asy的单位均为mm2，fsy′和fsy的单位均为MPa，as′、a0、bf′、hf′、b′、h1和h01的单位均为mm；所述纵向受压钢筋(6‑1)位于所述翼板内，所述纵向受拉钢筋(6‑2)位于所述腹板内，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T型梁(3)的中性轴从所述翼板内穿过；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T型梁(3)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tsp、hspw、thn和b，其中tsp为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的厚度，hspw为纵向侧钢板(2)的高度，thn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T型梁(3)的结构参数，并对tsp、b、hspw和thn的初始值分别进行设定；其中，tsp＝tspm且tspm＝5mm～7mm，thn＝thnm且thnm＝70mm～90mm；b＝b′+2tsp+2thn (1)；hspw＝c0×h (2)，其中c0＝0.15～0.4，h为加固后梁体的高度且h＝h1+thn+tsp (3)；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T型梁(3)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tspmax＝min(tsp1,tsp2,tsp3) (4)，计算得出加固钢板理论最大厚度tspmax；本步骤中，对加固钢板理论最大厚度tspmax进行计算之前，先对公式(4)中的tsp1、tsp2和tsp3分别进行确定，过程如下：步骤3021、梁体截面类型判断：对此时所述加固后梁体的截面类型进行判断，过程如下：步骤3021‑1、中性轴位置确...

【技术特征摘要】
1.一种混凝土T型梁的无粘结预应力与钢混组合加固设计方法，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T型梁(3)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T型梁(3)为钢筋混凝土梁；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T型梁(3)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T型梁(3)呈水平布设且其包括一个呈水平布设的翼板和一个位于所述翼板正下方的腹板，所述腹板呈竖直向布设；所述底钢板(1)呈水平布设，两个所述纵向侧钢板(2)均呈竖直向布设且二者对称布设在底钢板(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T型梁(3)的腹板下部的钢套箱，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)分为位于所述腹板下方的底部混凝土结构和左右两个分别位于所述腹板左右两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T型梁结构参数确定：对所加固T型梁(3)的结构参数进行确定；所确定的所加固T型梁(3)的结构参数包括所加固T型梁(3)内所设置纵向受压钢筋(6-1)的截面面积Asy′、纵向受压钢筋(6-1)的抗压强度设计值fsy′、所加固T型梁(3)内所设置纵向受拉钢筋(6-2)的截面面积Asy、纵向受拉钢筋(6-2)的抗拉强度设计值fsy、所加固T型梁(3)内受压区纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离as′、所加固T型梁(3)内所设置纵向受拉钢筋(6-2)的重心与所述腹板底部的距离a0、所述翼板的宽度bf′、所述翼板的厚度hf′、所述腹板的宽度b′以及所加固T型梁(3)的梁高h1和截面有效高度h01，h1为所述翼板与所述腹板的高度之和，h01为所加固T型梁(3)内受拉区纵向非预应力钢筋合力点至截面受压边缘的距离，其中Asy′和Asy的单位均为mm2，fsy′和fsy的单位均为MPa，as′、a0、bf′、hf′、b′、h1和h01的单位均为mm；所述纵向受压钢筋(6-1)位于所述翼板内，所述纵向受拉钢筋(6-2)位于所述腹板内，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T型梁(3)的中性轴从所述翼板内穿过；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T型梁(3)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tsp、hspw、thn和b，其中tsp为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的厚度，hspw为纵向侧钢板(2)的高度，thn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T型梁(3)的结构参数，并对tsp、b、hspw和thn的初始值分别进行设定；其中，tsp＝tspm且tspm＝5mm～7mm，thn＝thnm且thnm＝70mm～90mm；b＝b′+2tsp+2thn (1)；hspw＝c0×h(2)，其中c0＝0.15～0.4，h为加固后梁体的高度且h＝h1+thn+tsp (3)；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T型梁(3)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tspmax＝min(tsp1,tsp2,tsp3) (4)，计算得出加固钢板理论最大厚度tspmax；本步骤中，对加固钢板理论最大厚度tspmax进行计算之前，先对公式(4)中的tsp1、tsp2和tsp3分别进行确定，过程如下：步骤3021、梁体截面类型判断：对此时所述加固后梁体的截面类型进行判断，过程如下：步骤3021-1、中性轴位置确定：对此时所述加固后梁体的中性轴的位置进行确定；步骤3021-2、混凝土受压区高度确定：根据步骤3021-1中所确定中性轴的位置，对此时所述加固后梁体的混凝土受压区高度x进行确定；步骤3021-3、梁体截面类型判断：将步骤3021-2中所确定的混凝土受压区高度x与hf′进行差值比较，并根据差值比较结果对此时所述加固后梁体的截面类型进行判断：当x≤hf′时，判断为此时所述加固后梁体的截面类型为第一类截面；否则，当x＞hf′时，判断为此时所述加固后梁体的截面类型为第二类截面；步骤3022、根据步骤3021中判断出的此时所述加固后梁体的截面类型，对tsp1、tsp2和tsp3分别进行计算：当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第一类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp1进行计算；当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第二类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp1进行计算；当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第一类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp2进行计算；当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第二类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp2进行计算；当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第一类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp3进行计算；当步骤3021-3中判断出此时所述加固后梁体的截面类型为第二类截面时，所述数据处理设备根据公式对tsp3进行计算；公式(4-11)、公式(4-12)、公式(4-21)、公式(4-22)、公式(4-31)和(4-32)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，fc为所加固T型梁(3)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；Esy为所加固T型梁(3)内所设置纵向受拉钢筋(6-2)的弹性模量且其单位为MPa；Esp为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的弹性模量且其单位为MPa；公式(4-11)和公式(4-12)中，其中εspy为底钢板(1)或纵向侧钢板(2)的屈服应变，εcu为所加固T型梁(3)的受压区混凝土极限压应变；εi1为考虑二次受力影响时底钢板(1)的滞后应变；x为所述加固后梁体的混凝土受压区高度；对εspw1进行计算时，先根据公式计算得出εspw10；再判断εspw10是否大于当时，否则，εspw1＝εspw10；其中或h'＝h；εi2为考虑二次受力影响时纵向侧钢板(2)的滞后应变；对εs1进行计算时，先根据公式计算得出εs10；再判断εs10是否大于当时，否则，εs1＝εs10；公式(4-21)和公式(4-22)中，其中εsy为纵向受拉钢筋(6-2)的屈服应变；对εsp1进行计算时，先根据公式计算得出εsp10；再判断εsp10是否大于当时，否则，εsp1＝εsp10；对εspw2进行计算时，先根据公式计算得出εspw20；再判断εspw20是否大于当时，否则，εspw2＝εspw20；公式(4-31)和公式(4-32)中，对εsp2进行计算时，先根据公式计算得出εsp20；再判断εsp20是否大于当时，否则，εsp2＝εsp20；对εs2进行计算时，先根据公式计算得出εs20；再判断εs20是否大于当时，否则，εs2＝εs20；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tsp和thn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tspmax是否小于tspm：当tspmax＜tspm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tspmax≥tspm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thn增大Δthn，并对增大后的thn进行混凝土厚度超限判断：当增大后的thn＞thnM时，判断为混凝土厚度超限，将增大后的thn减小Δthn，并进入步骤30322；否则，当增大后的thn≤thnM时，判断为混凝土厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯亮亮，王自茂，许冰，袁卓亚，高香龙，苗建宝，石雄伟，冯威，雷丹，
申请(专利权)人：西安公路研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61