CN110565546B - 一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置及加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置及加固方法，可拆卸装置包括顶推装置、锚固装置、梁底锚固台座和预应力筋；所述顶推装置包括机架和安装在机架上的顶推梁，所述顶推梁连接有驱动其水平滑动的张拉驱动机构；所述预应力筋穿设于顶推装置上并通过锚固装置将顶推梁的纵向的张拉力施加给预应力筋；所述锚固装置与梁底锚固台座连接以传递预应力筋的预应力。本设计通过拼接特定数量的装配式桁架，可实现多束预应力筋同步张拉，提高工作效率；张拉过程能在工厂提前完成、也可现场拼装进行锚固，可避免现场张拉使用大型千斤顶及张拉精度难以保障的问题；锚固完成后，除预应力筋外各装置拆除进行重复利用，可节约工程造价。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁结构维护领域，特别是涉及一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置及加固方法。
背景技术
目前，既有桥梁结构在长期服役过程中，环境中的有害离子通过保护层进入到混凝土内部引起钢筋锈蚀，带裂缝工作的结构更容易发生此类病害，这会使得钢筋截面积减小，钢筋与混凝土的粘结性能下降，结构承载能力不足。尤其是对于预应力混凝土结构，预应力筋的锈蚀更会造成结构内部预应力储备不足，影响结构安全，增加失效风险。为提升既有桥梁结构承载力，目前较为常用的加固方法有：增大截面法、粘贴钢板或高强复合材料、体外预应力法等。
其中体外预应力法，如预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)、预应力高强钢丝绳和装配式预应力桁架等，由于具有可提供预应力、易于更换老旧预应力筋等优点，是进行既有桥梁结构加固较为有效的方法之一。但与此同时，由于施加体外预应力需要在桥梁底部设置施工平台，以及张拉锚固过程中需借助大型千斤顶等机具，都需要较大的操作空间，这对于既有桥梁加固过程梁底空间受限的情况较为困难；且传统的张拉方法难以保证预应力筋张拉精度，在施工中十分不便；此外，梁底部若设置多束体外预应力筋时需分批次进行张拉，其工程效率较低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置及桥梁加固方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，包括顶推装置、锚固装置、梁底锚固台座和预应力筋；所述顶推装置包括机架和安装在机架上的顶推梁，所述顶推梁连接有驱动其水平滑动的张拉驱动机构；所述预应力筋穿设于顶推装置上并通过锚固装置将顶推梁纵向的张拉力施加给预应力筋；所述锚固装置与梁底锚固台座连接以传递预应力筋的预应力；所述梁底锚固台座用于与桥梁连接。
进一步，还包括装配式桁架，所述装配式桁架沿顶推梁滑动方向设置在顶推装置的两侧；所述顶推梁与装配式桁架连接以传递纵桥向的张拉力；所述锚固装置将预应力筋与装配式桁架连接以传递纵桥向的张拉力。
进一步，所述预应力筋两端延伸出装配式桁架且两端部通过锚固装置与装配式桁架连接。
进一步，所述顶推梁设置在顶推装置上下端，且上下端各设置有两个顶推梁，上下端各自的两顶推梁的背向端分别与两侧的装配式桁架固定连接。
进一步，所述顶推梁设置有一排沿其滑动方向设置的凸齿，所述张拉驱动机构包括四个传动齿轮和主动齿轮，四个所述传动齿轮分别与上下端的四个顶推梁的凸齿啮合，且四传动齿轮呈矩形分布并相互啮合，其中一个传动齿轮与主动齿轮啮合；所述主动齿轮连接动力装置以获得动力。
进一步，还包括齿轮限位装置，所述齿轮限位装置用于控制传动齿轮转动。
进一步，所述锚固装置包括锚固垫板、锚具、螺杆、带凹槽钢板和螺母；所述锚固垫板与梁底锚固台座固定连接，所述预应力筋向外延伸依次穿过带凹槽钢板和锚固垫板，所述锚固垫板外侧设置有锚具，所述锚具通过楔形片将预应力筋端部锚紧；所述带凹槽钢板与锚固垫板间隔设置且通过螺杆和螺母连接，所述螺母设置在带凹槽钢板与锚固垫板中间，一根螺杆对应安装两螺母且两螺母分别与带凹槽钢板与锚固垫板相抵，所述带凹槽钢板与装配式桁架固定连接。
进一步，所述带凹槽钢板具有一开口向上的U型槽。
进一步，两侧所述装配式桁架的背向侧向外延伸设置有外伸钢板，所述外伸钢板与带凹槽钢板通过螺栓连接固定。
进一步，所述齿轮限位装置包括左限位块、右限位块和插设于左限位块和右限位块之间的承压限位块，所述左限位块和右限位块外侧分别设置有能与两传动齿轮啮合的卡齿，所述左限位块和右限位块铰接并能在传动齿轮的带动下将处于中间的承压限位块夹紧。
本发明还提供一种为桥梁结构装配预应力的加固方法，包括如下步骤：
S1，将装配式桁架与顶推梁连接；S2，将预应力筋穿装在装配式桁架和顶推装置上，安装锚固装置将预应力筋与装配式桁架连接以传递轴向拉力；S3，驱动顶推梁向外滑动，将预应力筋拉至设计伸长量，然后轴向固定顶推梁，防止其回缩；S4，在桥梁底部按预应力筋设计位置安装梁底锚固台座，随后将锚固装置与梁底锚固台座逐一连接固定；S5，卸除对顶推梁的轴向固定，使其能自由滑动，使得预应力筋将预应力施加给桥梁结构。
本发明的有益效果是：张拉过程能在工厂提前完成、也可现场拼装进行锚固，可避免现场使用大型千斤顶造成的麻烦；预应力施加是通过张拉驱动机构驱动顶推梁向外滑动实现，其预应力大小可根据滑动的行程进行控制，可解决控制张拉精度困难的问题；张拉驱动机构具体是通过机械齿轮组传动来驱动顶推梁向外滑动的，大小齿轮组合设置能达到省力效果；根据设计需要对多束预应力筋通过锚固装置与梁底锚固台座连接，推动顶推梁即可完成多束预应力筋的同时张拉，可提高工作效率；锚固完成后，除了预应力筋外，其它装置均可拆除重复利用，可节约工程造价。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明与桥梁连接状态下的结构示意图；
图2是顶推装置与装配式桁架分解状态示意图；
图3是图2的A-A处剖视图；
图4是齿轮限位装置作用状态下的结构示意图；
图5是齿轮限位装置分解状态结构示意图。
图6是梁底锚固台座与桥梁连接结构示意图；
图7是梁底锚固台座横向布置图；
图8是锚固装置正面剖视图；
图9是锚固装置轴测图；
图10是带凹槽钢板的结构示意图；
图11是装配式桁架主视图图；
图12是图11的B-B处剖视图；
图13是架设预应力筋横断面图；
图14是桥梁预应力筋锚固施工图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1至图14，本发明的一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，包括顶推装置1、装配式桁架2和锚固装置3、梁底锚固台座4和预应力筋5。
所述顶推装置1包括机架和安装在机架上的顶推梁11，所述顶推梁11连接有驱动其水平滑动的张拉驱动机构；所述装配式桁架2沿顶推梁11滑动方向设置在顶推装置1的两侧；所述顶推梁11与装配式桁架2连接以传递张拉力。优选的，如图2所示，所述顶推梁11设置在顶推装置1(机架)上下端，上下端的顶推梁11沿中心水平线对称设置，本实施例中，上下端各沿竖直中心线对称设置有两个顶推梁11，上下端的两顶推梁11的背向端分别与两侧的装配式桁架2的上下端固定连接(优选通过螺栓固定连接)，两顶推梁11向外水平滑动推动装配式桁架2移动。
如图2至图3所示，顶推装置1上下端设置有导轨12，所述顶推梁11滑动安装在导轨12上并能沿导轨12滑动，上下导轨12的相对面上设置有供顶推梁11纵桥向滑动的滑槽，即滑槽设置在上端导轨12的底面和下端导轨12的上表面上。导轨12与两片开孔厚钢板16焊接成整体，两片开孔厚钢板16间利用小桁架片进行横向分隔与连接，形成顶推装置1的机架。
顶推梁11的驱动方式优选为，所述顶推梁11设置有一排沿其滑动方向设置的凸齿111，所述张拉驱动机构包括四个传动齿轮13和主动齿轮17，四个传动齿轮13分别与上下端的四个顶推梁11的凸齿111对应啮合，且四个传动齿轮13呈矩形分布并相互啮合，其中一个传动齿轮13与主动齿轮17啮合；即如图2所示，凸齿111设置在上下端的顶推梁11的相对面上，四个传动齿轮13设置在两顶推梁11中间并分别与之啮合，每个传动齿轮13均与其相邻的两个传动齿轮啮合。为了实现多点均匀张拉，也可以在其他实施例中，将上述顶推梁11和张拉驱动机构沿横桥向(图7和图13视角下的左右方向)排列设置多组。
所述主动齿轮17连接动力装置以获得动力。动力装置优选为卷扬机，卷扬机带动主动齿轮17转动。上述齿轮均是安装在顶推装置1上，具体的，如图3所示，若干中心轴131对应齿轮位置穿过开孔厚钢板16预留的孔道，将上述齿轮对应安装在相应的中心轴131上，为减少其转动摩擦力，齿轮和中心轴131之间嵌装有轴承。主动齿轮17直径小于传动齿轮13，因齿轮组力臂大小差异，小齿轮(主动齿轮17)运动路径长则施加于小齿轮(主动齿轮17)的力小，极大节省了张拉力，并且张拉的伸长量可由小齿轮(主动齿轮17)转过的角度进行精确控制。
为使预应力张拉到一定程度后不发生预应力回缩损失，本设计还设置有齿轮限位装置15，所述齿轮限位装置15用于控制传动齿轮13转动，本实施例中，是控制传动齿轮13的转动，齿轮限位装置15作用时，传动齿轮13被卡死而不能转动，防止传动齿轮13回转。当然在其他实施例中，齿轮限位装置15也可以通过控制主动齿轮17转动来控制传动齿轮13的转动。
齿轮限位装置15具体结构优选为，所述齿轮限位装置15包括左限位块151、右限位块152和插设于左限位块151和右限位块152之间的承压限位块153。所述左限位块151和右限位块152外侧分别设置有能与两传动齿轮13啮合的卡齿，所述左限位块151和右限位块152铰接并能在传动齿轮13的带动下将处于中间的承压限位块153夹紧。具体的，左限位块151和右限位块152的底部外侧面为向下相向倾斜的斜面，左限位块151和右限位块152嵌入两传动齿轮13上方之间，回缩时，传动齿轮13带动齿轮限位装置15向下挤入两传动齿轮13的间隙并推动左限位块151和右限位块152靠拢夹紧承压限位块153，但是由于中间的承压限位块153作用，导致传动齿轮13卡死。具体的，左限位块151底部设置有一嵌合槽1512，所述右限位块152底部设置有与嵌合槽1512匹配的嵌合部1522，嵌合部1522嵌入嵌合槽1512并穿设有螺栓以实现铰接。左限位块151和右限位块152上端分别相向延伸有第一限位部1511和第二限位部1521，第一限位部1511和第二限位部1521用于包裹住承压限位块153上端，且第一限位部1511和第二限位部1521沿旋转轴轴线错开设置以避免干涉。如图4和图5所示，承压限位块153中间嵌入有薄钢板154并将承压限位块153分为两半，承压限位块153优选采用橡胶制成，承压限位块153与薄钢板154粘合连接为一体，通过薄钢板154的设置保证橡胶块(承压限位块153)的强度。当然在其他实施例中，齿轮限位装置15还可以有其他结构形式，只要能实现阻止传动齿轮13回转造成顶推梁11回缩即可。
当张拉到位后，齿轮限位装置15卡入传动齿轮13齿槽，使齿轮停止转动，优选设置有两个齿轮限位装置15，对应限制两对传动齿轮13。
所述预应力筋5穿设于顶推装置1和装配式桁架2上，所述预应力筋5通过锚固装置3将顶推梁11的纵桥向的张拉力(滑动推力)施加给预应力筋5；预应力筋5优选采用PVC套管包裹，两端留有约10cm的锚固长度。所述锚固装置3将预应力筋5与装配式桁架2连接以传递纵桥向的张拉力，使得顶推梁11的轴向推力作用在预应力筋5上，锚固装置3对预应力筋5进行轴向(预应力筋5的轴线方向)限位固定，装配式桁架2则只要外端与锚固装置3相抵即可实现纵桥向的张拉力的传递，并不需要完全的轴向固定连接。
所述锚固装置3与梁底锚固台座4连接以传递预应力筋5的预应力。优选的，为了方便锚固装置3安装，也便于施工人员有空间安装本可拆卸预应力加固装置，所述预应力筋5两端延伸出装配式桁架2且两端部通过锚固装置3与装配式桁架2连接，预应力筋5伸出装配式桁架2，使得施工位置空间宽敞，便于施工人员作业。
所述梁底锚固台座4用于与桥梁连接，具体的，梁底锚固台座4由水平钢板41和U形钢板42组成，U形钢板开口朝下设置顶部与水平钢板41连接，U形钢板上端和水平钢板41设置有相应的安装孔，通过高强钢钉装入安装孔将梁底锚固台座4固定在桥梁6底部。
下面从图8至图10描述锚固装置的一种优选结构。
所述锚固装置3包括锚固垫板31、锚具32、螺杆34、带凹槽钢板35和螺母36；所述锚固垫板31与梁底锚固台座4固定连接，优选的，锚固垫板31与梁底锚固台座4设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定，梁底锚固台座4的螺栓孔设置在U形钢板42的两侧板上，锚固垫板31两侧对应设置有两侧板以设置对应的螺栓孔。所述预应力筋5向外延伸依次穿过带凹槽钢板35和锚固垫板31，锚固垫板31相对带凹槽钢板35更远离顶推装置1。所述锚固垫板31外侧(背离顶推装置1的一侧)设置有锚具32，锚具32套在预应力筋5上，且中部设置有锥形孔，所述锚具32通过楔形片33将预应力筋5端部锚紧，楔形片33插入锚具32的锥形孔内将预应力筋5锚紧；所述带凹槽钢板35与锚固垫板31间隔设置且通过螺杆34和螺母36连接，具体的，锚固垫板31设置有若干可穿过螺杆34的通孔，带凹槽钢板35设置有对应的供螺杆34穿过的穿孔352，螺杆34两端穿设在带凹槽钢板35与锚固垫板31的相应孔上，所述螺母36设置在带凹槽钢板35与锚固垫板31中间，一根螺杆34对应安装两螺母36且两螺母36分别与带凹槽钢板35与锚固垫板31相抵，所述带凹槽钢板35与装配式桁架2固定连接，这样装配式桁架2向外的推力则可通过螺母36和螺杆34传递给锚固垫板31并最终传给预应力筋5。为了方便拆卸，所述带凹槽钢板35具有一开口向上的U型槽351，预应力筋5穿过U型槽351且底部承托在U型槽351底部，顶推装置1和装配式桁架2用于穿装预应力筋5的预应力筋通道均可以采用U型槽351类似结构以方便拆卸。
优选的，两侧所述装配式桁架2的背向侧向外延伸设置有外伸钢板21，如图11所示，所述外伸钢板21与带凹槽钢板35通过螺栓连接固定，优选的，外伸钢板21设置有两块且竖直摆放，带凹槽钢板35两侧设置有与带凹槽钢板35连接的连接侧板，连接侧板嵌入在外伸钢板21中间并和外伸钢板21设置对应螺栓孔以通过螺栓固定连接。选用任意数量的装配式桁架2，进行纵向拼接，即可满足任意纵向长度预应力筋的布置，根据设计的预应力筋横桥向分布情况，横向拼接装配式桁架2，可同时架设多束预应力筋，并一次张拉成型，提高工作效率。
本发明还提供一种为桥梁结构装配预应力的加固方法，包括如下步骤：
S1，将装配式桁架2与顶推梁11连接；根据设计预应力筋长度在工厂提前拼接相应跨度装配式桁架2，并将其与顶推装置1连接固定。横桥向(图7和图13视角下的左右方向)根据截面内预应力筋数量，保持横向(图7和图13视角下的左右方向)间距拼接若干装配式桁架以用于多根预应力筋5的同时张拉；纵桥向(图1的左右方向)按照设计所需预应力筋长度，选取足够数量的装配式桁架2进行纵向拼接安装。
S2，将预应力筋穿装在装配式桁架2和顶推装置1上，安装锚固装置3将预应力筋5与装配式桁架2轴向固定连接以传递轴向拉力。具体的，切割相应长度的预应力筋5，将其架设于已安装好的顶推装置1中设置好的预应力筋通道，进行初步的固定后，将带凹槽钢板35与外伸钢板21用螺栓连接固定。预应力筋5的两端穿过锚固垫板31，锚固垫板31与带凹槽钢板35用螺杆34及螺母36连接，达到轴向力(张拉预应力)传递效果，最后用锚具32对外露穿过锚固垫板31的预应力筋5进行初锚，放入楔形片33将预应力筋5锚紧。安装时，可利用卷扬机轻微张拉以便于预应力筋5与锚具32结合。
S3，驱动顶推梁11向外滑动，将预应力筋5拉至设计伸长量，然后轴向固定顶推梁11，防止其回缩；具体的通过卷扬机带动主动齿轮17转动，两个传动齿轮13转动并带动顶推梁11背向向外移动，推动锚固装置3向外移动，并将预应力筋5从两端向外张拉，顶推预应力筋5伸长变形，根据力矩平衡原理，主动齿轮17所转动的转角位移较大，转动所需的力较小，传动齿轮13半径较大，故带动主动齿轮17传动齿轮13转动所能达到的顶推力更大。依据主动齿轮17经历的总的角位移，可以较精确地计算得出预应力筋的伸长量。预应力筋5张拉的伸长量可由主动齿轮17转过的角度进行精确控制。待伸长量或张拉力达到预设值，利用齿轮限位装置15来限制齿轮组转动，以实现轴向固定顶推梁11。
S4，在桥梁6底部按预应力筋5设计位置安装梁底锚固台座4，随后将锚固装置3与梁底锚固台座4逐一连接固定。具体的，全套装置运输至施工现场，于桥梁6底嵌入对应数量的梁底锚固台座4，具体的，用高强钢钉将水平钢板41和U形钢板42嵌固到位，达到如图6和图7所示状态。然后用高强螺栓连接梁底锚固台座4与锚固装置3(锚固垫板31)。
S5，卸除对顶推梁11的轴向固定，使其能自由滑动，使得预应力筋5将预应力施加给桥梁。具体的，利用卷扬机轻微转动主动齿轮17，消除齿轮限位装置15受到的压力，然后取出齿轮限位装置15，缓慢放张，让预应力筋5自然回缩，使预应力传递至锚具32和锚固垫板31，通过锚固垫板31与梁底锚固台座4连接的螺栓将预应力传递至桥梁底部。
随后拆除顶推装置1，对锚具32进行封锚防腐工作。具体的，预应力筋5放张完成后，两端的带凹槽钢板35卸去压力，将齿轮反方向转动，即可抽出带凹槽钢板35、螺杆34、螺母36，进一步可拆除装配式桁架2与顶推装置1，以便于进行下一次施工张拉重新安装使用。
拆除工作完成后用混凝土将预应力筋5两端的锚固区封闭，防止预应力筋5、锚具32、锚固垫板31和梁底锚固台座4锈蚀。
上述张拉预应力筋数量的设置仅为本实施例采用的一个例子，实际使用过程中可根据加固设计需求进行单根或多束预应力筋同时张拉。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，其特征在于：包括顶推装置(1)、锚固装置(3)、梁底锚固台座(4)和预应力筋(5)；所述顶推装置(1)包括机架和安装在机架上的顶推梁(11)，所述顶推梁(11)连接有驱动其水平滑动的张拉驱动机构；
所述预应力筋(5)穿设于顶推装置(1)上并通过锚固装置(3)将顶推梁(11)的纵桥向的张拉力施加给预应力筋(5)；
所述锚固装置(3)与梁底锚固台座(4)连接以传递预应力筋(5)的预应力；
所述梁底锚固台座(4)用于与桥梁连接；
还包括装配式桁架(2)，所述装配式桁架(2)沿顶推梁(11)滑动方向设置在顶推装置(1)的两侧；所述顶推梁(11)与装配式桁架(2)连接以传递纵向的张拉力；所述锚固装置(3)将预应力筋(5)与装配式桁架(2)连接以传递纵桥向的张拉力；
所述预应力筋(5)两端延伸出装配式桁架(2)且两端部通过锚固装置(3)与装配式桁架(2)连接；
所述顶推梁(11)设置在顶推装置(1)上下端，且上下端各设置有两个顶推梁(11)，上下端各自的两顶推梁(11)的背向端分别与两侧的装配式桁架(2)固定连接；
所述顶推梁(11)设置有一排沿其滑动方向设置的凸齿(111)，所述张拉驱动机构包括四个传动齿轮(13)和主动齿轮(17)，四个所述传动齿轮(13)分别与上下端的四个顶推梁(11)的凸齿(111)啮合，且四传动齿轮(13)呈矩形分布并相互啮合，其中一个传动齿轮(13)与主动齿轮(17)啮合；所述主动齿轮(17)连接动力装置以获得动力。
2.根据权利要求1所述的一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，其特征在于：还包括齿轮限位装置(15)，所述齿轮限位装置(15)用于控制传动齿轮(13)转动。
3.根据权利要求1所述的一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，其特征在于：所述锚固装置(3)包括锚固垫板(31)、锚具(32)、螺杆(34)、带凹槽钢板(35)和螺母(36)；
所述锚固垫板(31)与梁底锚固台座(4)固定连接，所述预应力筋(5)向外延伸依次穿过带凹槽钢板(35)和锚固垫板(31)，所述锚固垫板(31)外侧设置有锚具(32)，所述锚具(32)通过楔形片(33)将预应力筋(5)端部锚紧；所述带凹槽钢板(35)与锚固垫板(31)间隔设置且通过螺杆(34)和螺母(36)连接，一根螺杆(34)对应安装两螺母(36)，所述螺母(36)设置在带凹槽钢板(35)与锚固垫板(31)中间并分别与带凹槽钢板(35)与锚固垫板(31)相抵，所述带凹槽钢板(35)与装配式桁架(2)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，其特征在于：所述带凹槽钢板(35)具有一开口向上的U型槽(351)。
5.根据权利要求3所述的一种为桥梁结构装配预应力的可拆卸装置，其特征在于：两侧所述装配式桁架(2)的背向侧向外延伸设置有外伸钢板(21)，所述外伸钢板(21)与带凹槽钢板(35)通过螺栓连接固定。
6.一种为桥梁结构装配预应力的加固方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将装配式桁架(2)与顶推梁(11)连接；
S2，将预应力筋穿装在装配式桁架(2)和顶推装置(1)上，安装锚固装置(3)将预应力筋(5)与装配式桁架(2)连接以传递轴向张拉力；
S3，驱动顶推梁(11)向外滑动，将预应力筋(5)拉至设计伸长量，然后轴向固定顶推梁(11)，防止其回缩；
S4，在桥梁(6)底部按预应力筋(5)设计位置安装梁底锚固台座(4)，随后将锚固装置(3)与梁底锚固台座(4)逐一连接固定；
S5，卸除对顶推梁(11)的轴向固定，使其能自由滑动，使得预应力筋(5)将预应力施加给桥梁。
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