CN106677080B - 基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，通过在中承式钢拱桥的主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用斜杆相连，再通过在原拱肋上焊接反拱连接件将反拱和原拱肋连接在一起，使得用来加固的反拱结构和原主拱圈形成刚性约束支撑体系；并且该刚性约束支撑体系中拱桥屈曲特征系数增大程度与待加固拱和反拱的7个参数有密切的关系，通过设置7个参数的不同变量值，采用待加固拱与加固后拱跨中弯矩的比值作为弯矩变化表征量，基于有限元参数分析拟合方法，即可得到以上7个参数与弯矩变化表征量的关系式。应用本发明，结合前述关系式即可求解结构特征内力值，从而实现选取最优方案进行反拱加固。

Description

基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法
技术领域
本发明属于拱桥加固技术领域，尤其涉及一种基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法。
背景技术
拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式，尤其是在广西境内，更是常见，它和青山绿水相映，很是壮观。但随着材料的老龄化和日益增加的交通量，大部分桥梁已经满足不了运营需求。有些混凝土拱桥自重较大，主拱圈主要承受压力，常会因为承压不足造成拱圈裂缝增多，少数出现跨中明显下挠变形，稳定性、承载力和舒适性下降；若拆掉重建，费时费力，但目前又没有很好的加固方法。
混凝土拱桥常用加固方法是增大主拱圈截面、调整拱上建筑恒载以及增强横向整体性、粘贴钢板和纤维复合材料、施加体外预应力等方法加固。大量实例表明原有方法加固的效果甚微，且新旧材料的粘合好坏程度直接影响加固的效果，桥梁加固后运营不久就会出现新老材料的脱离，粘结力下降等问题，待加固桥梁之主拱圈跨中弯矩过大导致裂缝等通病得不到很好的改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种施工方便、简单可靠、效果良好的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，通过在中承式钢拱桥的主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用斜杆相连，再通过在原拱肋上焊接反拱连接件将反拱和原拱肋连接在一起，使得用来加固的反拱结构和原主拱圈形成刚性约束支撑体系；并且该刚性约束支撑体系符合以下关系式：
式中：待加固拱和反拱的7个参数分别为反拱与待加固拱的等效半径比i、待加固拱的计算跨径L、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱轴系数m1，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2、反拱的拱轴系数m2，反拱的跨径与待加固拱跨径的比值KR；
Rf为反拱等效半径，Ix，f为反拱的x方向惯性矩，Rori为待加固拱等效半径，Ix，ori为待加固拱x方向惯性矩；
S1＝f1/L，S2＝f2/L，L为待加固拱计算跨径，f1、f2分别为反拱和待加固拱的矢高，Fre为反拱加固后的屈曲特征值，Freori为待加固拱结构屈曲特征值。
反拱截面由两片扁平的钢反拱片通过横向连接件连接形成，通过抗弯预埋件和抗剪锚栓把反拱的拱脚和拱肋连接在一起。
反拱跨度为主拱跨度的1/4-1/2。
待加固拱的拱轴系数m1的取值在2-8之间、反拱的拱轴系数m2的取值在2-6之间。
待加固拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5之间，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围在0.02-0.06之间。
斜杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍之间，斜杆轴线与水平面的夹角范围取为30°-60°。
反拱与待加固拱的等效半径比i取值在0.5-1.0之间。
针对现有拱桥加固存在的问题，发明人建立了一种基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，通过在中承式钢拱桥的主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用斜杆相连，再通过在原拱肋上焊接反拱连接件将反拱和原拱肋连接在一起，使得用来加固的反拱结构和原主拱圈形成刚性约束支撑体系；并且该刚性约束支撑体系中拱桥屈曲特征系数增大程度与待加固拱和反拱的7个参数(反拱与待加固拱的等效半径比i、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱轴系数m1，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2、反拱的拱轴系数m2，反拱的跨径与待加固拱跨径的比值KR)有密切的关系，通过设置7个参数的不同变量值，采用待加固拱与加固后拱跨中弯矩的比值作为弯矩变化表征量，基于有限元参数分析拟合方法，即可得到以上7个参数与弯矩变化表征量的关系式。因此，针对不同设计参数的拱桥，应用本发明，结合前述关系式即可求解结构特征内力值，从而实现选取最优方案进行反拱加固，不但不但可以有效的降低关键截面的内力，且可以增加待加固桥梁的整体刚度与稳定性，加固的反拱结构具有很好的受力特性。综上，本发明施工简便，效果明显，计算简单，准确性高，具有广阔的工程运用前景。
附图说明
图1是本发明中反拱加固的结构示意图。
图2是反拱加固有限元屈曲特征值比值拟合点位图。
图3是应用本发明的实例中某桥加固前图。
图4是应用本发明的实例中某桥加固后图。
图5是应用本发明加固后屈曲特征值增大百分比随参数等效半径比i变化的曲线图。
图6是应用本发明加固后屈曲特征值增大百分比随参数反拱拱轴系数m2变化的曲线图。
图7是应用本发明加固后屈曲特征值增大百分比随参数跨径之比KR变化的曲线图。
图8是应用本发明加固后屈曲特征值增大百分比随参数反拱矢跨比S2变化的曲线图。
图中：1拱脚，2反拱，21扁平的钢反拱片，22横向连接件，3主拱圈拱肋，4反拱连接件，5边跨桥墩，6斜杆，7桥面系，8吊杆。
具体实施方式
一、基本原理
基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法——通过在中承式钢拱桥的主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用斜杆相连，使反拱结构与原钢拱结构更为紧密，再通过在原拱肋上焊接反拱连接件将反拱和原拱肋连接在一起，使得用来加固的反拱结构和原主拱圈形成刚性约束支撑体系，从而可以有效的抵抗和分担由拱肋传递的弯矩，同时可以增加拱肋的整体刚度和强度，大大的减少跨中弯矩值。其中，反拱截面由两片扁平的钢反拱片通过横向连接件连接形成，横向连接件用来增加反拱结构的刚度与稳定性，空腹式的钢反拱的目的是反拱布置不妨碍吊杆的正常工作，；通过抗弯预埋件和抗剪锚栓把反拱的拱脚和拱肋连接在一起。
针对此体系，采用加固后的拱与待加固的拱计算屈曲特征值之比作为表征值进行拟合。通过大量的数据拟合，获得表征值Fre/Freori与已知相关参数的关系式(如下)，从而获得最佳的加固参数。
式中：待加固拱和反拱的7个参数分别为反拱与待加固拱的等效半径比i、待加固拱的计算跨径L、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱轴系数m1，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2、反拱的拱轴系数m2，反拱的跨径与待加固拱跨径的比值KR；
Rf为反拱等效半径，Ix，f为反拱的x方向惯性矩，Rori为待加固拱等效半径，Ix，ori为待加固拱x方向惯性矩；
S1＝f1/L，S2＝f2/L，L为待加固拱计算跨径，f1、f2分别为反拱和待加固拱的矢高，Fre为反拱加固后的屈曲特征值，Freori为待加固拱结构屈曲特征值。
根据上述关系式，如果待加固拱的参数已知，即可通过改变反拱参数，获得需要的跨中弯矩减小目标值。有关参数的取值范围如下：
反拱跨度为主拱跨度的1/4-1/2。
待加固拱的拱轴系数m1的取值在2-8之间、反拱的拱轴系数m2的取值在2-6之间。
待加固拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5之间，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围在0.02-0.06之间。
斜杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍之间，斜杆轴线与水平面的夹角范围取为30°-60°。但斜杆截面参数对加固后拱肋跨中弯矩减小的效果不明显。
反拱与待加固拱的等效半径比i不局限于圆形截面，任意截面型式都可通过上述公式换算得到，且取值在0.5-1.0之间。
应用实例
某100m跨径的中承式钢拱桥，见附图3，由于使用年限已久，交通量的日益增加后，车辆荷载已大大超过预期，导致屈曲特征值不足，整体安全系数下降，故而需要加固以有效的提升桥梁整体的稳定性与刚度。采用本发明对原桥采用反拱加固的方法进行加固，见附图4，计算加固后跨中弯矩与加固前屈曲特质值的比值。
待加固拱桥为无铰拱桥，跨径L＝100m，矢跨比S1＝1/5，拱轴系数m1＝3，反拱与待加固拱等效半径之比i取值0.7，拱轴系数m2＝4，矢高f2＝3m，跨径L2＝40m。把参数带入公式：
式中：可得到加固后跨中屈曲特性值和加固前的比值为1.122，屈曲特性值增大了12.2％。
由此实例可以看到本发明对混凝土桥梁加固的显著效果，通过大量数据分析，通过基于反拱结构加固混凝土拱桥或钢拱桥的方法，可使得本类型混凝土拱桥或钢拱桥屈曲特性值增大10％以上，带来可观的工程效益。
通过不断的调整反拱的参数，得到不同方案对应待加固拱桥屈曲特性值增大情况见表1-4与图5-8：
表1主拱圈跨中弯矩减小百分比随反拱与待加固拱等效半径比i的变化
表2主拱圈弯矩减小百分比随反拱拱轴系数m2的变化
表3主拱圈弯矩减小百分比随跨径之比KR的变化
表4主拱圈弯矩减小百分比随S2的变化
综上可见，跨中弯矩具有以下规律：
(1)反拱跨径越大加固效果越好，但需综合考虑施工及兼顾整体受力；
(2)加固反拱的矢高越高，其加固效果越差；
(3)加固反拱的拱轴系数m2越低，其加固效果越好；
(4)在一定范围内加固反拱等效半径i指标越大，其加固效果越好。
(5)待加固拱的拱轴系数很大时，如果采用本发明进行加固，可以有效的增加拱桥特征屈曲值，增加的平均幅度达到10％以上。

Claims (7)

1.一种基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：通过在中承式钢拱桥的主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用斜杆相连，再通过在原拱肋上焊接反拱连接件将反拱和原拱肋连接在一起，使得用来加固的反拱结构和原主拱圈形成刚性约束支撑体系；并且该刚性约束支撑体系符合以下关系式：
式中：待加固拱和反拱的7个参数分别为反拱与待加固拱的等效半径比i、待加固拱的计算跨径L、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱轴系数m1，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2、反拱的拱轴系数m2，反拱的跨径与待加固拱跨径的比值KR；
Rf为反拱等效半径，Ix，f为反拱的x方向惯性矩，Rori为待加固拱等效半径，Ix，ori为待加固拱x方向惯性矩；
S1＝f1/L，S2＝f2/L，L为待加固拱计算跨径，f1、f2分别为反拱和待加固拱的矢高，Fre为反拱加固后的屈曲特征值，Freori为待加固拱结构屈曲特征值。
2.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述反拱截面由两片扁平的钢反拱片通过横向连接件连接形成，通过抗弯预埋件和抗剪锚栓把反拱的拱脚和拱肋连接在一起。
3.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述反拱跨度为主拱跨度的1/4-1/2。
4.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述待加固拱的拱轴系数m1的取值在2-8之间、反拱的拱轴系数m2的取值在2-6之间。
5.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述待加固拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5之间，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围在0.02-0.06之间。
6.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述斜杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍之间，斜杆轴线与水平面的夹角范围取为30°-60°。
7.根据权利要求1所述的基于拱桥屈曲特征系数增大的中承式钢拱桥加固方法，其特征在于：所述反拱与待加固拱的等效半径比i取值在0.5-1.0之间。
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