CN109162212A - 单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，在待加固的单跨普通钢筋混凝土梁下增设钢拱片，钢拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱。本发明采用增设拱片方法，在加固拱片和原普通钢筋混凝土梁间形成刚性约束支撑体系，使得梁内力减小，不但可以大幅度提高桥梁的承载能力，增加待加固桥梁的整体刚度，且可以有效收缩梁体裂缝宽度，提高桥梁的耐久性，钢拱片拱脚产生的水平推力，有利于平衡台后土压力。本发明加固施工方法简便，加固过程有序，施工质量容易控制，可操作性强，效果明显；混凝土梁在向上的竖向力的作用下，减小跨中弯矩，收缩梁底裂缝宽度，加固后混凝土梁承载力提高30％以上。

Description

单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法

技术领域

本发明属于交通运输业桥涵工程加固技术领域，尤其涉及一种单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法。

背景技术

在我国，普通钢筋混凝土梁桥特别是普通钢筋混凝土空心板梁桥，因其采用简单便捷的预制拼装的施工工艺，2004年以前被我国各等级公路广泛使用。但是，随着材料的老龄化、日益增加的交通量，大部分普通钢筋混凝土梁出现大量裂缝，部分裂缝已超过规范限宽，桥梁已经满足不了运营需求，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，目前主要的加固方法为粘贴钢板或纤维复合材料、施加体外预应力等。然而，大量实例表明原有方法加固效果甚微，且新旧材料粘合好坏程度直接影响加固效果，从大量常规加固方法的实例中可以看出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，结构裂缝得不到有效限制，甚至发展新的裂缝，桥梁承载力提高不显著。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种施工简单快捷、加固效果良好的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，在待加固的单跨普通钢筋混凝土梁下增设钢拱片，钢拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱。

钢支撑柱以跨中为中心对称布置。

上述单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，在混凝土梁跨中段梁底和钢拱片间设置3～5个竖直向上力支撑点，支撑点所提供的竖向力通过临时支撑点上的千斤顶顶升后，用钢支撑柱将钢拱片和混凝土梁间顶紧，释放临时支撑点上的千斤顶，千斤顶上的支撑力转移到永久固定的钢支撑柱上。

钢支撑柱设计需要根据施加于混凝土梁上的竖直向上力P，拟定钢支撑柱的材料和截面尺寸，钢支撑柱宜采用方钢制作，内用C30混凝土填充密实。

钢拱片和拱座通过焊接固定，拱座通过植入原桥台的抗剪锚栓固定。

每片混凝土梁底根据受力需要增设1～2片钢拱片，钢拱片横向间设置横联形成整体。

增设的钢拱片设计的材料和截面尺寸根据结构所受内力确定，其中，

钢拱片拱脚水平推力符合以下表达式：

钢拱片拱脚弯矩M_A和跨中弯矩表达式符合以下表达式：

M_B＝X₁-X₂(R-d)

上式中：为弹性中心法计算的弹性中心处弯矩，为弹性中心处水平力，为弹性中心与圆心的距离，y为弹性中心到拱顶的竖向距离，为钢拱片上任意点的圆心角，为钢拱片两拱脚间的圆心角，M_P为钢拱片对应的基本结构在竖直向上力P的作用下产生的弯矩，EI为钢拱片的抗弯刚度，EA为钢拱片的抗压刚度。

根据前述公式，钢拱片提供的竖直向上力P越大，产生的反向弯矩越大，结构所受的总弯矩越小。竖直向上力P产生的反向弯矩不应大于恒载产生的弯矩。单跨普通钢筋混凝土梁桥结构受作用效应产生的弯矩最大截面为a＝l/2的跨中截面，钢支撑柱提供竖直向上力布置在跨中附近时，产生的反向弯矩最大，结构所受的总弯矩最小。钢支撑反力个数及间距根据混凝土跨径需要布置，钢支撑反力点以3～5个点为宜，以跨中为中心对称布置。

待加固混凝土梁任意截面的弯矩减小值与拱片及钢支撑柱提供的竖直向上力P及力的加载位置Xi有关，其中，

加固后混凝土梁任意截面最大弯矩表达式为：

支点截面最大剪力表达式为：

式中：q_g为恒载均布荷载；q_p为活载均布荷载；P_p为活载集中荷载；P为拱片提供的竖直向上集中荷载；a为混凝土梁任意截面到梁端的距离；l为混凝土梁计算跨径；X_i为竖直向上集中荷载到计算截面的距离，计算截面左侧竖直向上集中荷载个数为m个，计算截面右侧竖直向上集中荷载个数为n-m个，n为竖直向上集中荷载的个数；m_c为各片混凝土梁横向分布系数，为常数；μ为汽车冲击系数。

确定好施加于混凝土梁上的竖直向上力P及力的加载位置Xi后，初步拟定钢拱片的材料及截面尺寸，再计算出钢拱片的拱脚水平推力、拱脚和拱顶的弯矩，验算初步拟定的钢拱片的材料及截面尺寸是否合理，经过反复调整及复核验算后即可确定钢拱片的材料及截面尺寸。

针对普通钢筋混凝土梁桥老化开裂的问题，发明人建立了一种单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，在待加固的单跨普通钢筋混凝土梁下增设钢拱片，钢拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱。本发明采用增设拱片方法，在加固拱片和原普通钢筋混凝土梁间形成刚性约束支撑体系，使得梁内力减小，不但可以大幅度提高桥梁的承载能力，增加待加固桥梁的整体刚度，且可以有效收缩梁体裂缝宽度，提高桥梁的耐久性，钢拱片拱脚产生的水平推力，有利于平衡台后土压力。

与现有技术相比，本发明具有以下的主要优点：

其一，混凝土梁底增设钢拱片后具有很好的受力特性，且加固施工方法简便，加固过程有序，施工质量容易控制，可操作性强，效果明显；混凝土梁在向上的竖向力的作用下，减小跨中弯矩，收缩梁底裂缝宽度，加固后混凝土梁承载力提高30％以上。

其二，加固后的体系受力明确，内力计算公式简单，计算结果精确；

其三，加固方法和计算过程简单、易行，具有较大的实际工程应用价值。

附图说明

图1是单跨混凝土梁及钢拱片受力简图。

图2是实施例1中某桥加固前立面图(单位cm)。

图3是实施例1中某桥加固后立面图(单位cm)。

图4是实施例1中某桥加固后横断面图(单位cm)。

图5是图3中增设钢拱片后在各级竖向力下混凝土梁A截面的弯矩变化曲线图。

图6是图3中增设钢拱片后在各级竖向力下混凝土梁B截面的弯矩变化曲线图。

图7是图3中增设钢拱片后在各级竖向力下混凝土梁C截面的弯矩变化曲线图。

图8是本发明单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法的示意图。

图中：1普通钢筋混凝土梁，2钢拱片，3钢支撑柱，4拱座，5抗剪锚栓，6拱片间横联，7桥台。

具体实施方式

实施例1

某二级路上的一座单跨16m跨径的普通钢筋混凝土空心板梁桥，见附图1(图中各参数含义如前表达式)，桥梁建成于2003年，桥梁运营时间14年，梁底出现较多横向及斜向裂缝，部分裂缝超过规范限宽。原桥设计荷载等级较低，交通量的日益增加后，桥梁承载能力不足，空心板梁跨中附近出现超宽裂缝，亟需主动加固以有效减小混凝土梁跨中弯矩，收缩裂缝宽度。

为此，参照本发明对该钢筋混凝土空心板梁采用梁底增设钢拱片的的方法进行加固，如图3所示，计算加固后混凝土梁截面A、B、C弯矩与加固前截面A、B、C弯矩的比值。

16m跨径的普通钢筋混凝土空心板梁桥，横向布置8片空心板，空心板横向分布系数为0.308，汽车冲击系数为0.311，恒载均布荷载q_g为19.2kN/m，活载均布荷载q_p为10.5kN/m，活载集中荷载P_p为292kN。一片钢拱片上设置5个竖直向上力支撑点，按桥梁跨中对称布置，支撑点间距分布为1m和2m，每片梁下竖直向上力P分别按10kN、20kN、30kN三级加载，将以上数据带入公式：

则加固后混凝土梁在2m间距的竖向力P加载30kN作用下，跨中弯矩减少了34.4％，各个计算截面弯矩减少均在30％以上。在1m间距的竖向力P加载30kN作用下，跨中弯矩减少了41.7％。由此可见，本发明对混凝土桥梁加固效果显著。综合大量数据分析，本发明的主动加固方法，在拱片和混凝土梁间加载的竖向力P加载为30kN时，混凝土梁跨中弯矩减少30％以上，带来可观的工程效益。

通过不断调整在拱片和混凝土梁间加载的竖向力P的大小及间距，得到不同方案对应原普通钢筋混凝土梁弯矩的减小量情况见表1-表2与图5-图7。

表1间距为2m时各级竖向加载下各计算截面弯矩值

表2间距为1m时各级竖向加载下各计算截面弯矩值

从表中可以发现，混凝土梁弯矩有以下规律：

(1)普通钢筋混凝土梁弯矩的减小值，与拱片和混凝土梁间加载的竖向力P成线性关系，竖向力的加大对弯矩的减小作用明显；

(2)拱片和混凝土梁间加载的竖向力P间距越小，越靠近跨中布置，对弯矩的减小越明显；

(3)竖向力P作用范围内混凝土梁个截面弯矩减小较作用范围外各截面明显。

Claims (8)

1.一种单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于在待加固的单跨普通钢筋混凝土梁下增设钢拱片，钢拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱。

2.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于：所述钢支撑柱以跨中为中心对称布置。

3.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于在混凝土梁跨中段梁底和钢拱片间设置3～5个竖直向上力支撑点，支撑点所提供的竖向力通过临时支撑点上的千斤顶顶升后，用钢支撑柱将钢拱片和混凝土梁间顶紧，释放临时支撑点上的千斤顶，千斤顶上的支撑力转移到永久固定的钢支撑柱上。

4.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于：所述钢支撑柱采用方钢制作，内用C30混凝土填充密实。

5.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于：所述钢拱片和拱座通过焊接固定，拱座通过植入原桥台的抗剪锚栓固定。

6.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于每片混凝土梁底根据受力需要增设1～2片钢拱片，钢拱片横向间设置横联形成整体。

7.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于：所述增设的钢拱片设计的材料和截面尺寸根据结构所受内力确定，其中，

钢拱片拱脚水平推力符合以下表达式：

钢拱片拱脚弯矩M_A和跨中弯矩表达式符合以下表达式：

M_B＝X₁-X₂(R-d)

上式中：为弹性中心法计算的弹性中心处弯矩，为弹性中心处水平力，为弹性中心与圆心的距离，y为弹性中心到拱顶的竖向距离，为钢拱片上任意点的圆心角，为钢拱片两拱脚间的圆心角，M_P为钢拱片对应的基本结构在竖直向上力P的作用下产生的弯矩，EI为钢拱片的抗弯刚度，EA为钢拱片的抗压刚度。

8.根据权利要求1所述的单跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，其特征在于：所述待加固混凝土梁任意截面的弯矩减小值与拱片及钢支撑柱提供的竖直向上力P及力的加载位置Xi有关，其中，

加固后混凝土梁任意截面最大弯矩表达式为：

支点截面最大剪力表达式为：

式中：q_g为恒载均布荷载；q_p为活载均布荷载；P_p为活载集中荷载；P为拱片提供的竖直向上集中荷载；a为混凝土梁任意截面到梁端的距离；l为混凝土梁计算跨径；X_i为竖直向上集中荷载到计算截面的距离，计算截面左侧竖直向上集中荷载个数为m个，计算截面右侧竖直向上集中荷载个数为n-m个，n为竖直向上集中荷载的个数；m_c为各片混凝土梁横向分布系数，为常数；μ为汽车冲击系数。