[發明專利]箱梁的無粘結預應力與鋼板?混凝土組合加固設計方法

有效

• 申請號: 201610378902.8
• 申請日: 2016-05-31
• 公開（公告）號: CN106087778B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 馮威;袁卓亞;石雄偉;趙衍紅;苗建寶;趙庭;馬毓泉;雷丹;許冰
• 申請（專利權）人: 西安公路研究院;柯亮亮
• 主分類號: E01D22/00
• 分類號: E01D22/00;E01D101/28;E01D101/30
• 代理公司: 西安創知專利事務所61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種箱梁的無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固設計方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟一、組合加固構造確定：對所加固箱梁(6)的無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造進行確定；所加固箱梁(6)為預應力混凝土梁；

所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造包括布設在所加固箱梁(6)的需加固區下方的底鋼板(1)、兩個分別布設在所述需加固區左右兩側的縱向側鋼板(2)和兩個分別布設在所述需加固區前后兩端的端部封堵鋼板，所述底鋼板(1)和兩個所述縱向側鋼板(2)均呈縱橋向布設，所述底鋼板(1)和縱向側鋼板(2)均為平直鋼板且二者的縱向長度均與所述需加固區的長度相同；兩個所述端部封堵鋼板均呈橫橋向布設；所加固箱梁(6)呈水平布設且其包括一個呈水平布設的頂板、一個位于所述頂板正下方且呈水平布設的底板和左右兩個連接于所述頂板與所述底板之間的腹板，兩個所述腹板呈對稱布設；所述底鋼板(1)呈水平布設，兩個所述縱向側鋼板(2)分別布設在兩個所述腹板的底部外側，每個所述縱向側鋼板(2)均與其所布設的腹板呈平行布設，兩個所述縱向側鋼板(2)對稱布設在底鋼板(1)左右兩側上方，兩個所述端部封堵鋼板連接于兩個所述縱向側鋼板(2)的前后兩端之間，所述底鋼板(1)、兩個所述縱向側鋼板(2)和兩個所述端部封堵鋼板組成一個由下至上套裝在所加固箱梁(6)的腹板下部的鋼套箱，所述鋼套箱的橫截面為等腰梯形，所述鋼套箱內設置有多根無粘結預應力鋼筋(4)，且所述鋼套箱內澆筑有混凝土結構(5)；所述混凝土結構(5)分為位于所述底板下方的底部混凝土結構和兩個分別位于兩個所述腹板外側的側部混凝土結構，兩個所述側部混凝土結構呈左右對稱布設且二者的厚度均與所述底部混凝土結構的厚度相同，所述底鋼板(1)和兩個所述縱向側鋼板(2)的厚度均相同且三者的材質均相同；多根所述無粘結預應力鋼筋(4)均布設在同一水平面上且其均位于所述底部混凝土結構的內側中部，多根所述無粘結預應力鋼筋(4)的直徑和長度均相同且其呈均勻布設；

步驟二、加固前箱梁結構參數確定：對所加固箱梁(6)的結構參數進行確定；

所確定的所加固箱梁(6)的結構參數包括所加固箱梁(6)的底板內所設置縱向預應力鋼筋(3)的截面面積A_p、所加固箱梁(6)內所設置縱向受壓鋼筋(6-1)的截面面積A_sy′、縱向受壓鋼筋(6-1)的抗壓強度設計值f_sy′、所加固箱梁(6)內所設置縱向受拉鋼筋(6-2)的截面面積A_sy、縱向受拉鋼筋(6-2)的抗拉強度設計值f_sy、所加固箱梁(6)內受壓區縱向鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離a_s′、所加固箱梁(6)內受拉區縱向非預應力鋼筋與縱向預應力鋼筋(3)的合力點至截面受拉邊緣的距離a₀、所述頂板的寬度b_f′、所述頂板的厚度h_f′、兩個所述腹板的厚度之和b′、所加固箱梁(6)內受拉區縱向非預應力鋼筋與縱向預應力鋼筋(3)的合力點至截面受壓邊緣的距離h₀和所加固箱梁(6)的梁高h₁，h₁為所加固箱梁(6)的梁體高度且其為從所述頂板頂面至所述底板底面的豎向距離，其中A_p、A_sy′和A_sy的單位均為mm²，f_sy′和f_sy的單位均為MPa，a_s′、a₀、b_f′、h_f′、b′、h₀和h₁的單位均為mm；h₀+a₀＝h₁；

所述縱向受壓鋼筋(6-1)位于所述頂板內，所述縱向受拉鋼筋(6-2)位于所述底板內，所述縱向受壓鋼筋(6-1)和縱向受拉鋼筋(6-2)均為非預應力鋼筋，且所加固箱梁(6)的中性軸位于所述頂板下方；

步驟三、組合加固構造結構參數確定：根據步驟二中確定的所加固箱梁(6)的結構參數，采用數據處理設備對步驟一中所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造的結構參數進行確定；

所確定的所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造的結構參數包括t_sp、h_spw、t_hn和b，其中t_sp為底鋼板(1)或縱向側鋼板(2)的厚度，h_spw為縱向側鋼板(2)的寬度，t_hn為所述底部混凝土結構或所述側部混凝土結構的厚度，b為底鋼板(1)的寬度；

對步驟一中所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造的結構參數進行確定時，過程如下：

步驟301、參數初始化：采用與所述數據處理設備相接的參數輸入單元，輸入步驟二中確定的所加固箱梁(6)的結構參數，并對t_sp、b、h_spw和t_hn的初始值分別進行設定；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)；其中c₀＝0.15～0.4，A為所述腹板與水平面之間的夾角且A≤90°，h為加固后梁體的高度且h＝h₁+t_hn+t_sp (3)，縱向側鋼板(2)的豎向高度h_spv＝c₀×h；所述加固后梁體為采用所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造對所加固箱梁(6)進行加固后的梁體；

步驟302、加固鋼板理論最大厚度計算：所述數據處理設備根據公式t_spmax＝min(t_sp1,t_sp2,t_sp3) (4)，計算得出加固鋼板理論最大厚度t_spmax；

公式(4)中，

tsp1=α1fc(bf′-b′)hf′+α1fcb′ξ1h0β+fsy′Asy′-fsyAsy-fpyApyEspϵsp1b+2Espϵspw1hspw---(4-1);]]>

tsp2=α1fc(bf′-b′)hf′+α1fcb′ξ2h′β+fsy′Asy′-Epy(ϵs1+σp0Epy)Apy-Esyϵs2Asyfspyb+2Espϵspw2hspw---(4-2);]]>

tsp3=α1fc(bf′-b′)hf′+α1fcb′ξ3(h-tsp-hspv2)β+fsy′Asy′-Epy(ϵs3+σp0Epy)Apy-Esyϵs4AsyEspϵsp2b+2fspyhspw---(4-3);]]>

公式(4-1)、公式(4-2)和(4-3)中，α₁為所述加固后梁體的受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值，f_c為所加固箱梁(6)的混凝土軸心抗壓強度設計值且其單位為MPa，β為所述加固后梁體的受壓區混凝土矩形應力圖受壓區高度與中性軸高度的比值且β＝0.8；E_sy為所加固箱梁(6)內所設置縱向受拉鋼筋(6-2)的彈性模量且其單位為MPa；E_py為所加固箱梁(6)內所設置縱向預應力鋼筋(3)的彈性模量且其單位為MPa；E_sp為底鋼板(1)或縱向側鋼板(2)的彈性模量且其單位為MPa；A_py為所加固箱梁(6)所設置縱向預應力鋼筋(3)的橫截面積且其單位為mm²；

公式(4-1)中，其中ε_cu為所加固箱梁(6)的受壓區混凝土極限壓應變，σ_p0為所加固箱梁(6)內所設置縱向預應力鋼筋(3)的鋼筋合力點混凝土法向應力等于零時的預應力鋼筋應力值且其單位為MPa；f_py為縱向預應力鋼筋(3)的抗拉強度設計值且其單位為MPa；

對ε_sp1進行計算時，先根據公式計算得出ε_sp10；再判斷ε_sp10是否大于當時，否則，ε_sp1＝ε_sp10；其中或h'＝h；ε_spy為底鋼板(1)或縱向側鋼板(2)的屈服應變；ε_i1為考慮二次受力影響時底鋼板(1)的滯后應變；f_spy為底鋼板(1)或縱向側鋼板(2)的鋼板抗拉強度設計值且其單位為MPa；

對ε_spw1進行計算時，先根據公式計算得出ε_spw10；再判斷ε_spw10是否大于當時，否則，ε_spw1＝ε_spw10；其中ε_i2為考慮二次受力影響時縱向側鋼板(2)的滯后應變；

公式(4-2)中，

對ε_s1進行計算時，先根據公式計算得出ε_s10；再判斷ε_s10是否大于當時，否則，ε_s1＝ε_s10；

對ε_s2進行計算時，判斷ε_s10是否大于當時，否則，ε_s2＝ε_s10；

對ε_spw2進行計算時，先根據公式計算得出ε_spw20；再判斷ε_spw20是否大于當時，否則，ε_spw2＝ε_spw20；

公式(4-3)中，

對ε_s3進行計算時，先根據公式計算得出ε_s30；再判斷ε_s30是否大于當時，否則，ε_s3＝ε_s30；

對ε_s4進行計算時，判斷ε_s30是否大于當時，否則，ε_s4＝ε_s30；

對ε_sp2進行計算時，先根據公式計算得出ε_sp20；再判斷ε_sp20是否大于當時，否則，ε_sp2＝ε_sp20；

步驟303、加固鋼板厚度與混凝土厚度確定：采用所述數據處理設備對t_sp和t_hn分別進行確定，過程如下：

步驟3031、超筋判斷：判斷步驟302中計算得出的加固鋼板理論最大厚度t_spmax是否小于t_spm：當t_spmax＜t_spm時，判斷為此時所述加固后梁體處于超筋狀態，并進入步驟3032；否則，當t_spmax≥t_spm時，判斷為此時所述加固后梁體處于未超筋狀態，并進入步驟3033；

步驟3032、參數增大調整，包括以下步驟：

步驟30321、混凝土厚度增大調整及混凝土厚度超限判斷：將t_hn增大Δt_hn，并對增大后的t_hn進行混凝土厚度超限判斷：當增大后的t_hn＞t_hnM時，判斷為混凝土厚度超限，將增大后的t_hn減小Δt_hn，并進入步驟30322；否則，當增大后的t_hn≤t_hnM時，判斷為混凝土厚度未超限，并進入步驟30323；

其中，Δt_hn＝15mm～25mm；t_hnM為預先設定的所述底部混凝土結構或所述側部混凝土結構的最大厚度；

步驟30322、加固鋼板厚度增大調整：將t_sp增大Δt_sp，并進入步驟30323；其中，Δt_sp＝1mm～3mm；

步驟30323、加固鋼板理論最大厚度計算及超筋判斷：按照步驟302中所述的方法，計算得出此時加固鋼板理論最大厚度t_spmax，并判斷t_spmax是否小于t_spm：當t_spmax＜t_spm時，判斷為此時所述加固后梁體處于超筋狀態，返回步驟30321；否則，當t_spmax≥t_spm時，判斷為此時所述加固后梁體處于未超筋狀態，并進入步驟3033；

步驟3033、抗彎承載力驗證：調用抗彎承載力計算模塊且根據公式所述數據處理設備根據公式

對此時所述加固后梁體的抗彎承載力M_u進行計算，并將計算得出的M_u與M_u′進行差值比較：當M_u＜M_u′時，返回步驟3032；否則，當M_u≥M_u′時，完成混凝土厚度和加固鋼板厚度確定過程并輸出t_hn和t_sp，再進入步驟304；M_u′為加固后梁體的抗彎承載力設計值；

公式(5)中，x為所述加固后梁體的混凝土受壓區高度；A_py為所加固箱梁(6)所設置縱向預應力鋼筋(3)的橫截面積，A_sp為底鋼板(1)的橫截面積且A_sp＝b·t_sp，A_spw為縱向側鋼板(2)的橫截面積且A_spw＝t_sp·h_spw；σ_pk為預先確定的無粘結預應力鋼筋(4)的應力值，A_pk為所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造內所設置無粘結預應力鋼筋(4)的截面面積；a為所述無粘結預應力與鋼板-混凝土組合加固構造內所設置無粘結預應力鋼筋(4)的重心與所加固箱梁(6)內受拉區縱向非預應力鋼筋與縱向預應力鋼筋(3)的合力點之間的距離且

其中，σ_pk的單位為MPa，b、x和a的單位均為mm，A_sp、A_spw和A_pk的單位均為mm²；

步驟304、縱向側鋼板高度與底鋼板寬度確定：結合步驟303中輸出的t_sp和t_hn，所述數據處理設備根據公式(1)計算得出底鋼板(1)的寬度b并輸出b；同時，所述數據處理設備先根據公式(3)計算得出所述加固后梁體的高度h，再根據公式(2)計算得出縱向側鋼板(2)的高度h_spw并輸出h_spw。