本发明属于箱梁加固，尤其涉及一种预应力uhpc薄层抗剪加固方法及其加固箱梁结构。
背景技术：
1、近年来，由于交通量的逐渐增加，超载现象层出不穷，在旧规范下建造的老旧桥梁无法适应现今的工作需求，部分老旧连续箱梁的使用性能恶化，严重影响行车舒适性与结构安全性。裂缝是桥梁病害最为直观的反映，裂缝的存在导致结构刚度的下降、结构内部钢筋的腐蚀，进一步导致结构承载力的下降。
2、在连续箱梁的几种常见裂缝中，箱梁腹板斜裂缝成为最令人关注的问题。造成这种问题的根本原因是：剪应力与正应力造成的主拉应力大于混凝土材料的极限抗拉强度，箱梁腹板混凝土产生近似45°的斜向开裂。造成上述问题的主要原因是：混凝土开裂造成截面刚度的进一步下降以及施工过程中竖向预应力的预应力损失过大。
3、现有技术中解决这种工程问题，主要从截面刚度与主拉应力两个方面入手。
4、目前传统的增大截面法加固能在一定程度上提高截面的刚度，但是由于增大截面法属于被动加固且加固混凝土自重较大，原结构不仅要承受加固前本身的恒载还要承受因为截面增大后而产生的恒载，在加固后的总截面中，新增截面只承受加固后的荷载作用，原截面既要承受加固前的恒载作用还要承受加固后的恒、活载作用，因此这种方法对腹板抗剪的加固效果较差。
5、传统的箱梁体外预应力加固通过调整原结构内的应力分布，能很好提升结构承载力，但对裂缝的闭合与阻延效果较弱，且由于预应力筋布置在梁体外，防腐、保护相对困难，易受外界因素影响。
技术实现思路
1、为了解决现有箱梁腹板斜裂缝所采用的增大截面法和箱梁体外预应力加固法均效果不佳的问题，本发明提供了一种预应力uhpc薄层抗剪加固方法及其加固箱梁结构，能够在对原结构自重提升更小的情况下，提升截面刚度与结构抗裂能力，使结构已有裂缝闭合或延缓新裂缝的产生，且不易受外界因素影响。
2、本发明通过以下技术方案来实现：
3、一种预应力uhpc薄层抗剪加固方法，包括以下步骤：
4、s1、对当前箱梁的应力状态进行分析,具体包括以下子步骤：
5、s01、建立箱梁截面应力计算模型，具体采用下式进行计算:
6、
7、即
8、
9、其中,σtp为混凝土截面拉应力，σcp为混凝土截面压应力，σcx为混凝土法向应力，σcy为混凝土竖向压应力，τ为混凝土剪应力；
10、s02、公式(1)中混凝土法向应力σcx、混凝土竖向压应力σcy和混凝土剪应力τ的计算公式，具体表达式如下：
11、
12、其中，σpe为在计算主应力点时由扣除全部预应力损失后的纵向预加力产生的混凝土法向预压应力，ms为当前截面弯矩值，y0为换算截面中心轴至计算主应力点的距离，i0为换算截面惯性矩，n为在同一截面竖向预应力钢筋的肢数，为为竖向预应力筋扣除全部预应力损失后的有效预应力，apv单肢竖向预应力钢筋的截面面积，b为箱梁腹板的宽度，sv为竖向预应力钢筋的间距，vh为当前截面剪力值，s0为计算主应力点以上或以下部分换算截面面积对换算截面重心轴的面积矩，为纵向预应力弯起钢筋扣除全部预应力损失后的有效预应力，apb为计算截面上同一弯起平面内预应力弯起钢筋的截面面积，θp计算截面上预应力弯起钢筋的切线与箱梁纵轴线的夹角，sn为主应力点以上或以下部分净截面面积对净截面重心轴的面积矩，in为换算净惯性矩；
13、s2、在当前箱梁腹板开裂时，忽略原有竖向预应力筋对斜截面抗裂的贡献，即σcy＝0，根据公式(1)计算当前箱梁混凝土截面应力σ1，具体表达式如下：
14、
15、其中，σcx为混凝土法向应力，τ1为箱梁腹板开裂时的混凝土剪应力；
16、s3、计算箱梁腹板的混凝土截面应力与桥梁纵向的夹角角度θ，具体表达式如下：
17、
18、其中，σcx为混凝土法向应力，σcy为混凝土竖向压应力，τ为混凝土剪应力；
19、s4、进入模拟实验，设置多组不同倾斜角度预应力钢筋，假定倾斜角度为β，在x1-y1新坐标系下计算不同倾斜角度β下预应力筋引起的箱梁腹板混凝土平面应力值，具体计算公式如下：
20、
21、其中，σβx为竖向预应力筋倾斜布置时预应力提供给混凝土的轴向应力，σβy为竖向预应力筋倾斜布置时预应力提供给混凝土的竖向应力，τβ为预应力筋倾斜布置时预应力提供给混凝土的剪切应力，[t]和[t]t为平面应力坐标转换矩阵；
22、其中，[t]的表达式为：
23、
24、其中，β为斜向预应力钢筋与竖直方向夹角；
25、通过公式(5)和表达式(6)得到竖向预应力筋倾斜布置时预应力提供给混凝土的轴向应力σβx、预应力提供给混凝土的竖向应力σβy及预应力筋倾斜布置时预应力提供给混凝土的剪切应力τβ，具体计算公式为：
26、
27、其中，σcβ为坐标系x1-y1下预应力提供给混凝土竖向有效预压应力，β为斜向预应力钢筋与竖直方向夹角；
28、将公式(7)带入公式(3)中，得到斜向预应力布置后箱梁腹板混凝土截面应力σ2，具体计算如下：
29、
30、其中，ρcx为混凝土法向应力，σcβ为坐标系x1-y1下预应力提供给混凝土竖向有效预压应力，β为斜向预应力钢筋与竖直方向夹角，τ为混凝土剪应力；
31、s5、将公式(3)得到的箱梁混凝土截面应力σ1和公式(8)得到的斜向预应力布置后箱梁腹板混凝土截面应力σ2进行比较，如果σ1<σ2，说明在斜向预应力的作用下，箱梁腹板混凝土主拉应力更大，更容易在工作阶段受拉破坏，如果σ1＞σ2，说明箱梁腹板在倾斜预应力的帮助下得到更多的压应力储备来抵消实际工况下产生的主拉应力，倾斜预应力加固效果较好；
32、s6、通过增加倾斜预应力钢筋对箱梁进行加固，假设混凝土截面拉应力σtp＝0，箱梁腹板仅出现压应力，带入公式(8)，得到倾斜角度β的箱梁腹板的压应力f(β)具体表达如下：
33、f(β)＝σcxσcβcos2β+τσcβsin2β-τ2 (9)，
34、其中，σcx为混凝土法向应力，σcβ为坐标系x1-y1下预应力提供给混凝土竖向有效预压应力，t为斜向预应力钢筋与竖直方向夹角，τ为混凝土剪应力；
35、s7、对增加斜向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载和增加竖向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载进行分析，假定腹板开裂时，混凝土截面拉应力等于混凝土抗拉强度，计算得到增加斜向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载，具体计算公式表达如下：
36、
37、其中，vcw为增加斜向预应力筋加固后箱梁腹板开裂应力，ft为混凝土抗拉强度，σcx为混凝土法向应力，σcβ为坐标系x1-y1下预应力提供给混凝土竖向有效预压应力；
38、计算增加竖向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载，具体计算公式表达如下：
39、
40、其中，vcw’为增加竖向预应力筋加固后箱梁腹板开裂应力，ft为混凝土抗拉强度，σcx为混凝土法向应力，σcy为混凝土竖向压应力；
41、s8、将公式(10)得到的增加斜向预应力筋加固后箱梁腹板开裂应力vcw和公式(11)得到的增加竖向预应力筋加固后箱梁腹板开裂应力vcw’进行比较，如果vcw>vcw’，则采用斜向预应力加固对箱梁腹板结构开裂荷载的提升比采用竖向预应力加固对腹板结构开裂荷载的提升要大，如果vcw＜vcw’，则斜向预应力加固相较竖向预应力加固的开裂荷载更小，说明斜向预应力加固的效果更差；
42、s9、确定增加倾斜预应力钢筋的方法对箱梁进行加固；
43、s10、根据函数的极值条件带入公式(9)，得到理想情况下斜向预应力最合理倾斜角度β0，具体计算如下：
44、
45、其中，σcx为混凝土法向应力，τ为混凝土剪应力；
46、s11、根据公式(12)得到需要增加倾斜预应力钢筋的倾斜角度，即理想情况下斜向预应力最合理倾斜角度。
47、进一步地，还包括以下步骤：
48、s12、对箱梁的顶板和底板进行打孔，形成张拉端的锚固安装位、固定端的锚固安装位和浇筑孔；
49、s13、往固定端的锚固安装位上安装锚固组件，将预应力筋的一端通过固定端的锚固安装位穿线，往张拉端的锚固安装位上安装锚固组件，将预应力筋的另一端固定连接张拉端的锚固组件，根据步骤s11得到的预应力钢筋的倾斜角度进行预应力筋的张拉；
50、s14、在箱梁腹板的侧边设置模板，从浇筑孔往箱梁腹板与模板之间注入uhpc，形成uhpc加固层，uhpc加固层包裹倾斜预应力钢筋，然后进行倾斜预应力筋的放张。
51、进一步地，所述锚固组件包括锚固螺母和锚固垫板，所述步骤s13具体包
52、括以下子步骤：
53、s131、往固定端的锚固安装位上先安装锚固垫板和锚固螺母；
54、s132、将倾斜预应力筋的一端通过固定端的锚固垫板和锚固螺母穿线；
55、s133、往张拉端的锚固安装位上也安装锚固垫板和锚固螺母，张拉端的锚固安装位上设置张拉平台，张拉平台的上方设有带自锁装置的穿心千斤顶，穿心千斤顶上设有张拉螺母，倾斜预应力钢筋的另一端穿线张拉端的锚固垫板和张拉端的锚固螺母，但张拉端的锚固螺母不完全拧紧，采用套筒穿设套入延伸出张拉端的倾斜预应力钢筋，且延伸出张拉端的倾斜预应力钢筋经过穿心千斤顶和张拉螺母，通过自锁装置和张拉螺母夹紧倾斜预应力筋；
56、s134、根据步骤s10得到的预应力钢筋的倾斜角度进行预应力筋的张拉，当张拉到预设的张拉力和倾斜角度时，拧紧张拉端的锚固螺母，完成张拉。
57、进一步地，所述步骤s14倾斜预应力筋的放张，具体包括：所述锚固组件还包括锚固挡板和锚固备母，在所述张拉端的锚固安装位和/或所述固定端的锚固安装位上穿入所述锚固挡板，将所述锚固挡板推至对应的锚固螺母外侧，所述锚固挡板与对应的锚固螺母结合，并将所述锚固螺母设于所述锚固挡板的一端，锁紧所述锚固备母。
58、进一步地，所述步骤s11中，所述倾斜预应力钢筋的倾斜角度为25°～50°。
59、进一步地，所述步骤s12中，所述张拉端的锚固安装位和所述固定端的锚固安装位设于箱梁顶板和箱梁底板紧贴箱梁腹板位置，所述张拉端的锚固安装位和所述固定端的锚固安装位均为两个。
60、本发明还公开了一种预应力uhpc薄层抗剪加固箱梁结构，箱梁包括顶板、底板和腹板，其采用上述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法进行制备，包括预应力构件和uhpc加固层，所述预应力构件设于顶板和底板紧贴腹板位置，且所述预应力构件沿箱梁纵向进行斜向布置，所述uhpc加固层浇筑包裹所述预应力构件。
61、进一步地，所述预应力构件包括预应力筋和锚固组件，所述顶板和所述底板均设有锚固安装位，所述锚固组件设于所述锚固安装位内，所述预应力筋的两端分别连接对应的所述锚固组件，且所述预应力筋沿箱梁纵向进行斜向布置，所述顶板的若干锚固安装位的间隙为浇筑孔，所述uhpc加固层从所述浇筑孔注入，所述预应力筋的一端为张拉端，所述预应力筋的另一端为固定端。
62、进一步地，所述斜向布置的角度为25°～50°。
63、进一步地，所述锚固组件包括锚固螺母、锚固垫板、锚固挡板和锚固备母，所述预应力筋依次穿设所述锚固垫板、所述锚固螺母、所述锚固挡板和所述锚固备母。
64、本发明的有益效果在于：
65、1)加固方法中，先对箱梁的应力状态和主拉应力与桥梁纵向的夹角角度进行分析，得到当前箱梁的混凝土法向应力、混凝土竖向压应力、混凝土竖向压应力、箱梁腹板微元的主拉应力和主拉应力与桥梁纵向的夹角角度的信息；接着，预设通过增加预应力钢筋的方法对箱梁进行加固；然后，进入模拟实验，得到斜向预应力布置后箱梁腹板混凝土的主拉应力、混凝土法向应力、混凝土竖向压应力、混凝土剪应力、增加斜向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载和增加竖向预应力筋加固后箱梁腹板裂缝的开裂荷载信息；最后，进行数据比较，得出增加倾斜预应力钢筋对箱梁进行加固后，箱梁腹板混凝土的主拉应力得到降低，以及斜向预应力对斜裂缝开裂荷载的提升大于竖向预应力筋对斜裂缝开裂荷载的提升的结论，确定了增加倾斜预应力钢筋的方法对箱梁进行加固，保证了预应力uhpc薄层抗剪加固方法的可行性；
66、2)加固方法和加固结构中，预应力构件无需穿过箱梁腹板，为预应力筋的斜向布置提供了施工可行性，通过斜向布置，预应力筋长度得到有效提高，提高张拉锚固时伸长量，减少竖向预应力损失，斜向布置竖向预应力使得预应力筋之间的间距得到减小，产生预应力连续，对箱梁腹板的加固效率得到有效提高；
67、3)加固方法和加固结构中，采用uhpc加固层，即超高性能混凝土加固层，具有优良的材料特性，通过其自身超高的强度、韧性和耐久性，在对原结构自重提升更小的情况下，提升截面刚度与结构抗裂能力；
68、4)uhpc加固层包裹预应力构件，不仅减小腹板主拉应力，还能有效提高截面刚度，使结构已有裂缝闭合或延缓新裂缝的产生，能够阻碍预应力筋的回缩，减少预应力损失，能有效保护预应力筋免遭腐蚀，提高加固体系耐久性。
1.一种预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，还包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，所述锚固组件包括锚固螺母和锚固垫板，所述步骤s13具体包括以下子步骤：
4.根据权利要求3所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，所述步骤s14倾斜预应力筋的放张，具体包括：所述锚固组件还包括锚固挡板和锚固备母，在所述张拉端的锚固安装位和/或所述固定端的锚固安装位上穿入所述锚固挡板，将所述锚固挡板推至对应的锚固螺母外侧，所述锚固挡板与对应的锚固螺母结合，并将所述锚固螺母设于所述锚固挡板的一端，锁紧所述锚固备母。
5.根据权利要求1所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，所述步骤s11中，所述倾斜预应力钢筋的倾斜角度为25°～50°。
6.根据权利要求2所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法，其特征在于，所述步骤s12中，所述张拉端的锚固安装位和所述固定端的锚固安装位设于箱梁顶板和箱梁底板紧贴箱梁腹板位置，所述张拉端的锚固安装位和所述固定端的锚固安装位均为两个。
7.一种预应力uhpc薄层抗剪加固箱梁结构，箱梁包括顶板、底板和腹板，其特征在于，其采用权利要求1-6任一项所述的预应力uhpc薄层抗剪加固方法进行制备，包括预应力构件和uhpc加固层，所述预应力构件设于顶板和底板紧贴腹板位置，且所述预应力构件沿箱梁纵向进行斜向布置，所述uhpc加固层浇筑包裹所述预应力构件。
8.根据权利要求7所述的预应力uhpc薄层抗剪加固箱梁结构，其特征在于，所述预应力构件包括预应力筋和锚固组件，所述顶板和所述底板均设有锚固安装位，所述锚固组件设于所述锚固安装位内，所述预应力筋的两端分别连接对应的所述锚固组件，且所述预应力筋沿箱梁纵向进行斜向布置，所述顶板的若干锚固安装位的间隙为浇筑孔，所述uhpc加固层从所述浇筑孔注入，所述预应力筋的一端为张拉端，所述预应力筋的另一端为固定端。
9.根据权利要求8所述的预应力uhpc薄层抗剪加固箱梁结构，其特征在于，所述斜向布置的角度为25°～50°。
10.根据权利要求9所述的预应力uhpc薄层抗剪加固箱梁结构，其特征在于，所述锚固组件包括锚固螺母、锚固垫板、锚固挡板和锚固备母，所述预应力筋依次穿设所述锚固垫板、所述锚固螺母、所述锚固挡板和所述锚固备母。
