CN106836022B - 基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，通过在主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用竖杆相连，再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，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拱脚负弯矩减小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，采用原拱与加固后拱拱脚负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，得到了以上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

基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法
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拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法。
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。但是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，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拱脚负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拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，通过在主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用竖杆相连，再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，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；竖杆长度大于反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离，在反拱的跨中采用千斤顶进行预顶升，将反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离顶升到竖杆的长度后，安装竖杆；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等效半径比i、待加固拱计算跨径L、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，加固反拱纵向长度与拱总跨径的比值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，Ixori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，Mb为反拱加固后的拱脚负弯矩，Mbori为原拱结构拱脚负弯矩。
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。
拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围为0.02-0.06。
反拱与待加固拱等效半径比i取值在0.5-1之间。
竖杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍。
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拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，通过在主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用竖杆相连，再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，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；竖杆长度大于反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离，在反拱的跨中采用千斤顶进行预顶升，将反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离顶升到竖杆的长度(8)后，安装竖杆；并且该刚性约束支撑体系中拱桥拱脚负弯矩减小程度与待加固拱和反拱的7个参数(反拱与待加固拱等效半径比i、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，加固反拱纵向长度与拱总跨径的比值KR)有密切的关系。通过设置7个参数的不同变量值，采用原拱与加固后拱拱脚负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，得到了以上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，不但可以增加待加固桥梁的整体刚度，且可以有效的降低关键截面的内力，大大的减少拱脚负弯矩值，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是有限元计算模型图。
图2是拱脚负弯矩拟合点位图。
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反拱加固时跨中采用千斤顶顶升示意图。
图5是应用本发明的实例中某桥加固后图。
图6是应用本发明加固后弯矩减小百分比随参数等效半径比i变化的曲线图。
图7是应用本发明加固后弯矩减小百分比随参数反拱拱轴系数m2变化的曲线图。
图8是应用本发明加固后弯矩减小百分比随参数跨径之比KR变化的曲线图。
图9是应用本发明加固后弯矩减小百分比随参数反拱矢跨比S2变化的曲线图。
图中：1拱脚，2加固的反拱，3原主拱圈，4抗弯预埋件，5抗剪锚栓，6竖杆，7桥面系，8竖杆的长度，9千斤顶。
具体实施方式
一、工作原理
基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法——通过在主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用竖杆相连，再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，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；所述竖杆长度大于反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离，在反拱的跨中采用千斤顶进行预顶升，将反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离顶升到竖杆的长度后，安装竖杆；
针对此体系，采用加固后的拱脚负弯矩Mb与未加固的拱脚负弯矩Mbori比值进行拟合，通过大量的数据(2700个，见图1、图2)拟合，得到表征值拱脚负弯矩Mb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等效半径比(矢跨比)i、待加固拱计算跨径L、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，加固反拱纵向长度与拱总跨径的比值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，Ixori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，Mb为反拱加固后的拱脚负弯矩，Mbori为原拱结构拱脚负弯矩。
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，获得需要的拱脚负弯矩减小目标值。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。
拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围为0.02-0.06。
反拱与待加固拱等效半径比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之间。
竖杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍，但竖杆截面参数对加固后拱肋拱脚负弯矩减小的效果不明显。
二、应用实例
某93m跨径的上承式混凝土拱桥，见附图3，由于使用年限已久，材料老化较为严重，发现拱脚出现裂缝，交通量的日益增加后，拱脚负弯矩过大，造成拱肋拱脚的应力过大，故需要加固以有效的减小拱脚部位的弯矩，故而对原桥采用本发明的反拱加固方法进行加固(图4)，计算加固后拱脚负弯矩与加固前拱脚负弯矩的比值。
原拱桥为无铰拱桥，跨径L0＝93m，矢跨比1/8，拱轴系数m1＝2.514；反拱与待加固拱等效半径比i＝0.935，拱轴系数m2＝3，矢跨比1/8，跨径L1＝40m。把参数带入公式：
式中：可得到加固后拱脚负弯矩值和加固前的比值为0.695，弯矩减少了30.5％。
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跨中所受拱脚负弯矩至少降低30.5％，带来可观的工程效益。
通过不断的调整反拱的参数，得到不同方案对应原拱桥拱脚负弯矩的减小量情况见表1-表4与附图6-附图9：
表1主拱圈拱脚负弯矩减小百分比随反拱刚度的变化
表2主拱圈拱脚负弯矩减小百分比随反拱拱轴系数m2的变化
表3主拱圈拱脚负弯矩减小百分比随反拱矢高S2的变化
表4主拱圈拱脚负弯矩减小百分比随跨径比KR的变化
综上可见，拱脚负弯矩以下规律：
(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，其加固效果越好；
(3)加固反拱的拱轴系数m2变化，对拱脚负弯矩改变不明显；
(4)在一定范围内加固反拱刚度i指标越大，其加固效果越好。

Claims (6)

1.一种基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，其特征在于：通过在主拱圈拱肋下方设置反拱，并在反拱和拱肋之间用竖杆相连，再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，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；所述竖杆长度大于反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离，在反拱的跨中采用千斤顶进行预顶升，将反拱跨中最低点到原拱肋跨中最高点的距离顶升到竖杆的长度后，安装竖杆；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等效半径比i、待加固拱计算跨径L、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，加固反拱纵向长度与拱总跨径的比值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，Ixori为待加固拱x方向惯性矩；
Si＝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，Mb为反拱加固后的拱脚负弯矩，Mbori为原拱结构拱脚负弯矩。
2.根据根据权利要求1所述的基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，其特征在于：所述反拱跨度为主拱跨度的1/4-1/2。
3.根据根据权利要求1所述的基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，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。
4.根据根据权利要求1所述的基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，其特征在于：所述拱的矢跨比S1范围为3/25-1/5，反拱的矢高与待加固拱跨径比S2的范围为0.02-0.06。
5.根据根据权利要求1所述的基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，其特征在于：所述反拱与待加固拱等效半径比i取值在0.5-1之间。
6.根据根据权利要求1所述的基于拱桥拱脚负弯矩减小的反拱结构加固方法，其特征在于：所述竖杆的截面积取值为反拱截面积的0.75-1.0倍。
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