一种基于现场放张施加体外预应力的装置及桥梁加固方法

1.本发明涉及桥梁及建筑结构加固维护领域，特别涉及一种基于现场放张施加体外预应力的装置及加固方法。


背景技术：

2.既有混凝土桥梁在长期服役过程中，受自然环境、交通流量、汽车荷载冲击等的影响，不可避免的出现结构损伤，承载力性能下降、桥梁耐久性降低乃至失效，为保证桥梁正常运营，对缺损桥梁进行加固已成为常态。而现阶段桥梁加固方法普遍存在周期长、加固成本高的短板。因此十分有必要开展快速化改造、提高桥梁承载力的加固方法研究。
3.目前，常用的混凝土加固方法有：增大截面法，粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法以及体外预应力法等。采用增大截面加固法新增加固层与原结构层存在应力及应变的滞后效应，造成材料浪费；粘贴钢板或粘贴纤维复合材料加固方法可以有效改善混凝土梁纵向应力，抑制裂缝延伸，从而提高结构的承载能力，但对粘贴平整度、清洁度要求高，粘贴材料容易与加固结构表面发生剥离，经济成本高，耐久性较差；而体外预应力加固方法虽能达到改善梁体下挠、闭合部分裂缝、提高结构总承载力的效果，但其施工过程较为复杂，加固空间受限、张拉精度控制难以保证，需借助大型千斤顶及施工平台等进行预应力现场张拉等。同时，常用的几种加固方法均存在无法实现加固效果动态调控。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于现场放张施加体外预应力的装置,能够对建筑体进行加固。
5.本发明还提出一种具有上述基于现场放张施加体外预应力的装置的桥梁加固方法。
6.根据本发明的第一方面实施例的基于现场放张施加体外预应力的装置，包括：
7.弓背件，所述弓背件由弹性杆件弯曲而成；
8.定型及放张机构，与所述弓背件连接，能够对所述弓背件进行定型和放张；
9.加固力调节机构，所述加固力调节机构能够与待加固建筑体固定连接，所述加固力调节机构能够与所述弓背件连接，以调节所述弓背件的放张程度；
10.加固机构，所述加固机构与所述弓背件连接，所述加固机构能够与待加固区域的两侧连接，所述加固机构能随所述弓背件的放张，牵引与待加固区域的连接点向中心方向靠拢。
11.根据本发明实施例的基于现场放张施加体外预应力的装置，至少具有如下有益效果：
12.1、弓背件的生产制作、定型以及储能都可以在工厂完成，从而可以有效的缩短施工周期，降低对交通的影响。
13.2、本装置是通过现场放张进行结构加固，避免了在现场张拉预应力等一系列复杂
操作。同时更能适应施工空间有限的场景，避免了现场进行张拉预紧而占用较大施工空间的问题。
14.3、基于现场放张施加体外预应力的装置对称安装在待加固区域的两侧，不会对待加固区域的下部使用空间造成影响。
15.4、使用本发明的基于现场放张施加体外预应力的装置对桥梁进行加固以后，在弓背件的牵拉作用下，可以提高加固区域的整体刚度和耐久度，提高桥梁承载力，闭合局部裂缝等。
16.5、通过现场缓慢放张预应力进行不同程度裂缝的加固，实现加固效果动态调控。
17.根据本发明的一些实施例，所述定型及放张机构包括预应力筋、伸缩调节组件，所述预应力筋设置在所述弓背件的内侧，所述预应力筋与所述弓背件的放张方向平行，所述预应力筋的两端通过所述伸缩调节组件和所述弓背件连接，至少一个所述伸缩调节组件能够沿所述弓背件的放张方向调节伸长长度。
18.根据本发明的一些实施例，所述伸缩调节组件包括螺纹锚具、转向内套筒、转向外套筒、蜗杆和蜗杆固定件，所述弓背件的内侧设有第一连接孔，所述转向外套筒和所述第一连接孔铰连接，所述转向内套筒转动设置在所述转向外套筒内，所述螺纹锚具和所述预应力筋的一端连接，所述螺纹锚具螺纹连接在所述转向内套筒的筒内，所述转向内套筒上设有伸出所述转向外套筒的涡轮齿，所述蜗杆和所述涡轮齿啮合传动，所述蜗杆通过所述蜗杆固定件转动安装在所述转向外套筒上。
19.根据本发明的一些实施例，所述加固机构包括两根锚杆，两根所述锚杆的相对端铰连接在一起成一个铰接节点，所述铰接节点和所述弓背件的外侧连接，两根所述锚杆的另外一端能够分别铰连接在待加固区域的一侧。
20.根据本发明的一些实施例，所述加固机构包括活动菱形架和两个连接组件，所述活动菱形架的一个铰接节点和所述弓背件的外侧连接，两个所述连接组件均包括滑槽件和滑动连接件，两个所述滑槽件用于固定安装在待加固区域的两侧，所述滑槽件上开设有滑槽，且所述滑槽沿垂直所述弓背件的放张方向设置，所述滑槽内设有所述滑动连接件，所述滑动连接件能够沿所述滑槽滑动，所述活动菱形架两端的两个铰接节点分别和所述滑动连接件铰连接，另一个所述铰接节点用于与所述待加固区域远离所述弓背件的一侧固定连接。
21.根据本发明的一些实施例，所述加固机构包括两根锚杆，两根所述锚杆的相对端铰连接在一起成一个铰接节点，所述铰接节点和所述弓背件的外侧连接，两根所述锚杆的另外一端能够分别铰连接在待加固区域的一侧。
22.根据本发明的一些实施例，所述加固机构包括活动菱形架，所述活动菱形架的一个铰接节点和所述弓背件的外侧连接，另外三个铰接节点能够和所述待加固区域的外侧固定连接。
23.根据本发明的第二方面实施例的桥梁加固方法，包括：上述的基于现场放张施加体外预应力的装置，所述基于现场放张施加体外预应力的装置通过如下步骤进行桥梁加固：
24.步骤s100：在工厂将所述弹性杆件弯曲成所述弓背件，并通过所述定型及放张机构对所述弓背件进行定型、储能，完成储能后运至施工现场；
25.步骤s200：将所述加固力调节机构与定位位置固定连接，随后和所述弓背件连接；
26.步骤s300：将所述加固机构与待加固区域的两侧连接，随后所述加固机构与所述弓背件连接；
27.步骤s400：调节所述定型及放张机构，使所述定型及放张机构控制所述弓背件进行放张，并通过所述加固力调节机构控制所述弓背件的放张程度，随着所述弓背件放张，所述加固机构牵引与待加固区域两侧的连接点向中心方向靠拢，从而使所述待加固区域的裂缝闭合。
28.根据本发明实施例的桥梁加固方法，至少具有如下有益效果：
29.1、弓背件的生产制作、定型以及储能都可以在工厂完成，从而可以有效的缩短施工周期，降低对交通的影响。
30.2、本装置是通过现场放张预应力进行结构加固，避免了在现场张拉预应力等一系列复杂操作。同时更能适应施工空间有限的场景，避免了现场进行张拉预紧而占用较大施工空间的问题。
31.3、基于现场放张施加体外预应力的装置对称安装在待加固区域的两侧，不会对待加固区域的下部使用空间造成影响。
32.4、使用本发明的基于现场放张施加体外预应力的装置对桥梁进行加固以后，在弓背件的牵拉作用下，可以提高加固区域的整体刚度和耐久度，提高桥梁承载力，闭合局部裂缝等。
33.5、通过现场缓慢放张预应力进行不同程度裂缝的加固，实现加固效果动态调控。
34.根据本发明的一些实施例，所述的桥梁加固方法，在步骤s100中，将预应力筋的两端连接上伸缩调节组件，并通过所述伸缩调节组件和所述弓背件的两端内侧连接，在进行放张的时候，随着至少其中一个所述伸缩调节组件伸长，所述弓背件进行放张。
35.根据本发明的一些实施例，在步骤s100中，将转向内套筒安装在转向外套筒内，将所述转向外套筒和第一连接孔铰连接，蜗杆和所述转向内套筒的涡轮齿啮合，再通过蜗杆固定件将所述蜗杆转动安装在所述转向外套筒上，将所述预应力筋的两端连接上螺纹锚具，然后将所述螺纹锚具安装在所述转向内套筒中，在进行放张的时候，通过调节所述蜗杆转动，所述转向内套筒随之转动，在所述转向内套筒的转动过程中，带动所述螺纹锚具在所述转向内套筒旋进或旋出，使所述弓背件进行放张。
36.根据本发明的一些实施例，在步骤s200中，将固定连接座安装在定位位置处，将螺杆转动安装在所述固定连接座上，再将异形螺母座螺纹连接在所述螺杆上，通过调节螺杆转动，调节所述异形螺母座在所述螺杆上的位置，使得所述弓背件的两端正好可以和对应的所述异形螺母座连接。
37.根据本发明的一些实施例，在步骤s300中，将两根锚杆相对端的铰接节点和所述弓背件的外侧连接，两根所述锚杆的另外两端铰连接在待加固区域的两侧，当所述弓背件进行放张的时候，所述弓背件拉动所连接所述铰接节点朝垂直放张方向运动，两端的铰接端点会产生向二者的中心方向靠拢的运动趋势，从而使待加固区域的裂缝闭合。
38.根据本发明的一些实施例，在步骤s300中，将活动菱形架的一个铰接节点和所述弓背件的外侧连接，将两个所述滑槽件固定安装在待加固区域的左右两侧，所述活动菱形架两端的两个铰接节点分别和所述滑动连接件铰连接，另一个所述铰接节点与所述待加固
区域远离所述弓背件的一侧固定连接，当所述弓背件进行放张的时候，所述弓背件拉动所连接的所述铰接节点朝垂直放张方向运动，两端的两个铰接节点通过滑槽中的所述滑动连接件，拉动所述滑槽件向二者的中心方向靠拢，从而使待加固区域的裂缝闭合。
39.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
40.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
41.图1为本发明实施例基于现场放张施加体外预应力的装置的安装示意图；
42.图2为本发明实施例基于现场放张施加体外预应力的装置的完成加固后的示意图；
43.图3为本发明实施例弓背件和预应力筋的结构示意图；
44.图4为本发明实施例伸缩调节组件的结构示意图；
45.图5为本发明实施例转向内套筒、转向外套筒和螺纹锚具的安装剖面视图；
46.图6为本发明实施例加固力调节组件的结构示意图；
47.图7为本发明实施例异形螺母座的剖面视图；
48.图8为本发明第二种实施例基于现场放张施加体外预应力的装置的安装示意图；
49.图9为本发明第二种实施例基于现场放张施加体外预应力的装置的完成加固后的示意图。
50.附图标记：
51.100、弓背件；110、第一连接孔；120、第二连接孔；130、第三连接孔；
52.200、定型及放张机构；210、预应力筋；220、伸缩调节组件；221、螺纹锚具；222、转向内套筒；2221、涡轮齿；223、转向外套筒；2231、桁架孔；2232、锚固孔；224、蜗杆；225、蜗杆固定件；
53.300、加固力调节机构；310、加固力调节组件；311、固定连接座；312、螺杆；313、异形螺母座；
54.400、加固机构；410、活动菱形架；420、连接组件；421、滑槽件；422、滑动连接件；430、锚杆；440、横杆；
55.500、待加固建筑体；510、裂缝。
具体实施方式
56.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
59.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
60.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
61.下面参考图1到图7描述根据本发明实施例的基于现场放张施加体外预应力的装置。
62.如图1和图2所示，根据本发明实施例的基于现场放张施加体外预应力的装置，包括：
63.弓背件100，弓背件100由弹性杆件弯曲而成；在本实施例中，弓背件100采用高弹性高刚度材料的弹性杆件弯曲而成，在工厂用压力机让弹性杆件弯曲成弓背件100。
64.定型及放张机构200，与弓背件100连接，能够对弓背件100进行定型和放张；
65.加固力调节机构300，加固力调节机构300能够与待加固建筑体500固定连接，加固力调节机构300能够与弓背件100连接，以调节弓背件100的放张程度；
66.加固机构400，加固机构400与弓背件100连接，加固机构400能够与待加固区域的两侧连接，加固机构400能随弓背件100的放张，牵引与待加固区域的连接点向中心方向靠拢。
67.本发明还公开了一种桥梁加固方法，基于现场放张施加体外预应力的装置通过如下步骤进行桥梁加固：
68.步骤s100：在工厂将弹性杆件弯曲成弓背件100，并通过定型及放张机构200对弓背件100进行定型，使得弓背件100保持形状，完成储能后运至施工现场；此时弓背件100处于平衡状态，再将其运输到待加固混凝土梁桥现场。弓背件100的生产制作、定型都可以在工厂进行预制，避免了在现场张拉预应力等一系列复杂操作，从而可以有效的缩短施工周期，降低对交通的影响。
69.步骤s200：将加固力调节机构300与待加固区域的定位位置固定连接，随后和弓背件100连接；这里所说的定位位置根据现场情况确定，是用于安装加固力调节机构300的位置，一般位于待加固区域的裂缝510前方两侧，弓背件100和加固力调节机构300连接后，就被固定在了待加固建筑体500上，后续通过加固力调节机构300调节弓背件100的放张程度。
70.步骤s300：将加固机构400与待加固区域的两侧连接，随后加固机构400与弓背件100连接；
71.步骤s400：调节定型及放张机构200，使定型及放张机构200控制弓背件100进行放张，并通过加固力调节机构300控制弓背件100的放张程度，随着弓背件100放张，加固机构400牵引与待加固区域两侧的连接点向中心方向靠拢，从而使待加固区域的裂缝510闭合。
72.基于现场放张施加体外预应力的装置对称安装在待加固区域的两侧，不会对待加
固区域的下部使用空间造成影响。使用本发明的基于现场放张施加体外预应力的装置对桥梁进行加固以后，在弓背件的牵拉作用下，可以提高加固区域的刚度和耐久度，提高桥梁承载力。对桥梁的加固量是在现场进行调节的，调节灵活，可以适应不用程度的裂缝，由于弓背件100可以存储一定的预应力，当裂缝再次扩大以后，可以通过调节弓背件100的放张程度，实现再次加固。
73.在本发明的一些实施例中，定型及放张机构200包括预应力筋210、伸缩调节组件220，预应力筋210设置在弓背件100的内侧，预应力筋210与弓背件100的放张方向平行，预应力筋210的两端通过伸缩调节组件220和弓背件100连接，至少一个伸缩调节组件220能够沿弓背件100的放张方向调节伸长长度。
74.结合图3到图5所示，在弓背件100成型以后，将预应力筋210的两端连接上伸缩调节组件220，并通过伸缩调节组件220和弓背件100的两端内侧连接，在进行放张的时候，随着至少其中一个伸缩调节组件220伸长，预应力筋210加上伸缩调节组件220的总长度变长，弓背件100进行放张。
75.在具体的实施例中，两个伸缩调节组件220可以是一个可以进行伸长调节，另一个是一个固定长度的连接件，这样的话整体结构更加的简单。另一种实施例是两个伸缩调节组件220的长度都可以进行调节的，这样的话整体的调节长度更广，可以对弓背件100的放张程度进行更大范围的调节。
76.在本发明的进一步实施例中，伸缩调节组件220包括螺纹锚具221、转向内套筒222、转向外套筒223、蜗杆224和蜗杆固定件225，弓背件100的内侧设有第一连接孔110，转向外套筒223和第一连接孔110铰连接，转向内套筒222转动设置在转向外套筒223内，螺纹锚具221和预应力筋210的一端连接，螺纹锚具221螺纹连接在转向内套筒222的筒内，转向内套筒222上设有伸出转向外套筒223的涡轮齿2221，蜗杆224和涡轮齿2221啮合传动，蜗杆224通过蜗杆固定件225转动安装在转向外套筒223上。
77.具体的，将转向内套筒222安装在转向外套筒223内，将转向外套筒223和第一连接孔110铰连接，蜗杆224和转向内套筒222的涡轮齿2221啮合，再通过蜗杆固定件225将蜗杆224转动安装在转向外套筒223上，将预应力筋210的两端连接上螺纹锚具221，然后将螺纹锚具221安装在转向内套筒222中，在进行放张的时候，通过调节蜗杆224转动，转向内套筒222随之转动，在转向内套筒222的转动过程中，带动螺纹锚具221在转向内套筒222旋进或旋出，当螺纹锚具221从转向内套筒222中旋出的时候，预应力筋210加上伸缩调节组件220的总长度变长，弓背件100进行放张。
78.其中，转向外套筒223上设有一个和第一连接孔110对应的桁架孔2231，通过销栓将桁架孔2231和第一连接孔110铰连接。转向内套筒222和转向外套筒223通过卡槽转动连接。转向外套筒223上的外表面焊有两个锚固孔2232，蜗杆固定件225通过和锚固孔2232连接，将蜗杆224转动安装在转向外套筒223上。
79.在本发明的一些实施例中，加固力调节机构300包括两个加固力调节组件310，弓背件100的两端和对应的一个加固力调节组件310连接，加固力调节组件310能够和待加固建筑体500的定位位置处固定连接，至少一个加固力调节组件310包括固定连接座311、螺杆312、异形螺母座313，固定连接座311用于和待加固建筑体500的定位位置固定连接，螺杆312转动安装在固定连接座311上，螺杆312的轴向和弓背件100的放张方向同向，异形螺母
座313螺纹连接在螺杆312上，异形螺母座313能够和弓背件100的一端连接。待加固建筑体500可以是桥梁、隧道等产生裂缝510而需要加固的建筑物。
80.结合图6和图7所示，在本实施例中，将固定连接座311安装在定位位置处，将螺杆312转动安装在固定连接座311上，再将异形螺母座313螺纹连接在螺杆312上，弓背件100的两端设有第二连接孔120，异形螺母座313上设有套柱，通过调节螺杆312转动，调节异形螺母座313在螺杆312上的位置，使得弓背件100的两端的第二连接孔120正好可以套接在异形螺母座313的套柱上。
81.其中，定位位置具体位于待加固区域的裂缝510上方两侧，固定连接座311具体为带孔的槽钢，固定连接座311设有导向槽，导向槽与弓背件100的放张方向同向，螺杆312设置在导向槽内，且两端和固定连接座311转动连接，固定连接座311上设有多个用于和定位位置固定连接的螺孔。安装的时候，固定连接座311通过锚栓穿过带孔钢槽的螺孔，锚入混凝土层内，用螺帽拧紧，完成固定连接座311的固定。
82.在一些具体的实施例中，两个加固力调节组件310可以是一个加固力调节组件310可以进行调节，另一个是一个普通的固定件，只要能够固定在定位位置上，且和弓背件100的端部连接即可，这样的话整体结构更加的简单。另一种实施例是两个加固力调节组件310都可以进行调节，这样可以使得弓背件100始终能够保持以待加固区域的中心线对称设置，使得加固机构400受到的力的方向不会改变，避免锚杆或者活动菱形架受力扭曲。
83.在本发明的一些实施例中，加固机构400包括两根锚杆430，两根锚杆430的相对端铰连接在一起成一个铰接节点，铰接节点和弓背件100的外侧连接，两根锚杆430的另外一端分别铰连接在待加固区域的一侧。当弓背件100进行放张的时候，弓背件100拉动所连接两个锚杆转动，两端的铰接节点会产生向二者的中心方向靠拢的运动趋势，从而使待加固区域的裂缝510闭合。
84.更进一步的，加固完成后，横杆440的两端和两根锚杆430连接在一起，具体的，通过螺栓等连接件穿过横杆440上的连接孔和锚杆430连接在一起，形成一个三角架结构，起到稳定整体结构的作用。在需要再次进行加固的时候，先将横杆440取下来，调节弓背件100的放张程度，实现再次加固后，再重新将横杆440装上。
85.在本发明的另一些实施例中，加固机构400包括活动菱形架410和两个连接组件420，活动菱形架410的一个铰接节点和弓背件100的外侧连接，两个连接组件420均包括滑槽件421和滑动连接件422，两个滑槽件421用于固定安装在待加固区域的左右两侧，滑槽件421上开设有滑槽，且滑槽沿垂直所述弓背件100的放张方向设置，滑槽内设有滑动连接件422，滑动连接件422连能够沿滑槽滑动，活动菱形架410两端的两个铰接节点分别和滑动连接件422铰连接，另一个铰接节点用于与待加固区域远离弓背件100的一侧固定连接。将活动菱形架410的一个铰接节点和弓背件100的外侧底部连接，将两个滑动连接件422固定安装在待加固区域的两侧，滑槽沿垂直弓背件100的放张方向设置，滑槽内设有滑动连接件422，滑动连接件422能够沿滑槽滑动，活动菱形架410两端的两个铰接节点分别和滑动连接件422连接，另一个铰接节点与待加固区域远离弓背件100的一侧固定连接，当弓背件100进行放张的时候，弓背件100拉动所连接的铰接节点朝垂直放张方向运动，两端的两个铰接节点通过滑槽中的滑动连接件422，拉动滑槽向二者的中心方向靠拢，从而使待加固区域的裂缝510闭合。
86.我们以图1和图2进行说明，弓背件100安装在待加固区域的上方，弓背件100的底部外侧设有第三连接孔130，第三连接孔130和活动菱形架的一个铰接节点铰接，在待加固区域的左右两侧设置两个滑槽，两个滑槽以待加固区域的中心线对称设置。活动菱形架两端的两个铰接节点和滑槽内的滑动连接件422连接。另一个铰接节点与待加固区域远离弓背件100的一侧固定连接。
87.当弓背件100进行放张的时候，弓背件100的底部会向上运动，拉动所连接的铰接节点朝垂直放张方向运动，牵引活动菱形架410发生形变，两端的两个铰接节点所连接的滑动连接件422受到滑槽的限制，会产生水平向相的力，该力通过滑槽件421传递给待加固区域，使待加固区域得两侧受到牵引力，从而向二者的中心方向靠拢，进而使待加固区域的裂缝510闭合。
88.而且本装置在对加固区域完成首次加固以后，弓背件100仍然可以存储一定的预应力，经过一段时间，随着裂缝的再次扩张，通过再次释放弓背件100存储的预应力，可以再次对加固区域进行加固。
89.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
90.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。