本發(fā)明屬于拱橋加固技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于跨中撓度減小的上承式混凝土拱橋加固方法。

背景技術(shù)：

拱橋是我國(guó)公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式，尤其是在廣西境內(nèi)，更是常見，它和青山綠水相映，很是壯觀。但隨著材料的老齡化和日益增加的交通量，大部分橋梁已經(jīng)滿足不了運(yùn)營(yíng)需求。有些混凝土拱橋自重較大，主拱圈主要承受壓力，常會(huì)因?yàn)槌袎翰蛔阍斐晒叭α芽p增多，少數(shù)出現(xiàn)跨中明顯下?lián)献冃?，穩(wěn)定性、承載力和舒適性下降；若拆掉重建，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但目前又沒有很好的加固方法。

混凝土拱橋常用加固方法是增大主拱圈截面、調(diào)整拱上建筑恒載以及增強(qiáng)橫向整體性、粘貼鋼板和纖維復(fù)合材料、施加體外預(yù)應(yīng)力等方法加固。大量實(shí)例表明原有方法加固的效果甚微，且新舊材料的粘合好壞程度直接影響加固的效果，橋梁加固后運(yùn)營(yíng)不久就會(huì)出現(xiàn)新老材料的脫離，粘結(jié)力下降等問題，待加固橋梁之主拱圈跨中撓度過(guò)大導(dǎo)致裂縫等通病得不到很好的改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種施工方便、簡(jiǎn)單可靠、效果良好的基于跨中撓度減小的上承式混凝土拱橋加固方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于跨中撓度減小的上承式混凝土拱橋加固方法，通過(guò)在上承式混凝土拱橋主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用斜桿相連，再通過(guò)抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，在反拱下緣的轉(zhuǎn)向塊以及原拱肋錨固點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力，使得用來(lái)加固的反拱結(jié)構(gòu)和原拱肋形成剛性約束支撐體系；并且該剛性約束支撐體系符合以下關(guān)系式：

式中：

待加固拱和反拱的7個(gè)參數(shù)分別為反拱與待加固拱的等效半徑比i、待加固拱的計(jì)算跨徑L、待加固拱的矢跨比S₁、待加固拱的拱軸系數(shù)m₁，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S₂、反拱的拱軸系數(shù)m₂，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值K_R；

R_f為反拱等效半徑，I_x，f為反拱的x方向慣性矩，R_ori為待加固拱等效半徑，I_x，ori為待加固拱x方向慣性矩；

S₁＝f₁/L，S₂＝f₂/L，L為待加固拱計(jì)算跨徑，f₁、f₂分別為反拱和待加固拱的矢高，M_Z為反拱加固后的跨中彎矩，M_Zori為待加固拱結(jié)構(gòu)跨中彎矩。

反拱跨度為主拱跨度的1/4-1/2之間。

待加固拱的拱軸系數(shù)m₁在2-8之間、反拱的拱軸系數(shù)m₂的取值在2-6之間。

待加固拱的矢跨比S₁的范圍為3/25-1/5，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S₂的范圍在0.02-0.06。

反拱與待加固拱的等效半徑比i的取值在0.5-1.0。

斜桿的截面積取值為反拱截面積的0.75-1.0倍，斜桿與水平面夾角為30°-60。

針對(duì)現(xiàn)有拱橋加固存在的問題，發(fā)明人建立了一種基于跨中撓度減小的上承式混凝土拱橋加固方法，通過(guò)在上承式混凝土拱橋主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用斜桿相連，再通過(guò)抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，在反拱下緣的轉(zhuǎn)向塊以及原拱肋錨固點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力，使得用來(lái)加固的反拱結(jié)構(gòu)和原拱肋形成剛性約束支撐體系；并且該剛性約束支撐體系中跨中撓度減小程度與待加固拱和反拱的7個(gè)參數(shù)(反拱與待加固拱的等效半徑比i、待加固拱的矢跨比S₁、待加固拱的拱軸系數(shù)m₁，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S₂、反拱的拱軸系數(shù)m₂，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值KR)有密切的關(guān)系，通過(guò)設(shè)置7個(gè)參數(shù)的不同變量值，采用原拱與加固后拱跨中撓度的比值作為撓度變化表征量，基于有限元參數(shù)分析擬合方法，得到了以上7個(gè)參數(shù)與撓度變化表征量的關(guān)系式。因此，針對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的拱橋，應(yīng)用本發(fā)明，結(jié)合前述關(guān)系式即可求解結(jié)構(gòu)特征內(nèi)力值，從而實(shí)現(xiàn)選取最優(yōu)方案進(jìn)行反拱加固，不但可以增加待加固橋梁的整體剛度，且可以有效的降低關(guān)鍵截面的內(nèi)力，加固的反拱結(jié)構(gòu)具有很好的受力特性。綜上，本發(fā)明施工簡(jiǎn)便，效果明顯，計(jì)算簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性高，具有廣闊的工程運(yùn)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是有限元計(jì)算模型示意圖。

圖2是跨中撓度擬合點(diǎn)位圖。

圖3是應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)例中某橋加固前圖。

圖4是應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)例中某橋加固后圖。

圖5是應(yīng)用本發(fā)明加固后撓度減小百分比隨參數(shù)等效半徑比i變化的曲線圖。

圖6是應(yīng)用本發(fā)明加固后撓度減小百分比隨參數(shù)反拱拱軸系數(shù)m2變化的曲線圖。

圖7是應(yīng)用本發(fā)明加固后撓度減小百分比隨參數(shù)跨徑之比Kr變化的曲線圖。

圖8是應(yīng)用本發(fā)明加固后撓度減小百分比隨參數(shù)反拱矢跨比S2變化的曲線圖。

圖中：1拱腳，2反拱，3原拱肋，4抗彎預(yù)埋件，5抗剪錨栓，6斜桿，7橋面系，8預(yù)應(yīng)力，9轉(zhuǎn)向塊，10原拱肋預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

一、工作原理

基于跨中撓度減小的上承式混凝土拱橋加固方法——通過(guò)在上承式混凝土拱橋主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用斜桿相連，再通過(guò)抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，在反拱下緣的轉(zhuǎn)向塊以及原拱肋錨固點(diǎn)之間張拉預(yù)應(yīng)力增加原拱肋與反拱的整體性，使得用來(lái)加固的反拱結(jié)構(gòu)和原拱肋形成剛性約束支撐體系；從而可以有效的抵抗和分擔(dān)由拱肋傳遞的撓度，同時(shí)可以增加拱肋的整理剛度和強(qiáng)度，大大的減少跨中撓度值。

針對(duì)此體系，采用加固后的拱頂撓度與未加固的拱頂撓度比值作為表征值進(jìn)行擬合，通過(guò)大量數(shù)據(jù)(2700個(gè)，見圖1、圖2)擬合，得到表征值跨總撓度Mz與已知相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式(如下)，從而獲得最佳的加固參數(shù)；

式中：

待加固拱和反拱的7個(gè)參數(shù)分別為反拱與待加固拱的等效半徑比i、待加固拱的計(jì)算跨徑L、待加固拱的矢跨比S₁、待加固拱的拱軸系數(shù)m₁，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S₂、反拱的拱軸系數(shù)m₂，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值K_R；

R_f為反拱等效半徑，I_x，f為反拱的x方向慣性矩，R_ori為待加固拱等效半徑，I_x，ori為待加固拱x方向慣性矩；

S₁＝f₁/L，S₂＝f₂/L，L為待加固拱計(jì)算跨徑，f₁、f₂分別為反拱和待加固拱的矢高，M_Z為反拱加固后的跨中彎矩，M_Zori為待加固拱結(jié)構(gòu)跨中彎矩。

根據(jù)上述關(guān)系式，如果待加固拱的參數(shù)已知，即可通過(guò)改變反拱參數(shù)，獲得需要的跨中撓度減小目標(biāo)值。有關(guān)參數(shù)的取值范圍如下：

反拱跨度為主拱跨度的1/4-1/2之間。

待加固拱的拱軸系數(shù)m₁在2-8之間、反拱的拱軸系數(shù)m₂的取值在2-6之間。

待加固拱的矢跨比S₁的范圍為3/25-1/5，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S₂的范圍在0.02-0.06。

反拱與待加固拱的等效半徑比i的取值在0.5-1.0。

斜桿的截面積取值為反拱截面積的0.75-1.0倍，但斜桿截面參數(shù)對(duì)加固后拱肋跨中彎矩減小的效果不明顯，斜桿與水平面夾角為30°-60°。

應(yīng)用實(shí)例

某68m跨徑的上承式混凝土拱橋，見附圖3，由于使用年限已久，材料老化較為嚴(yán)重，發(fā)現(xiàn)拱頂出現(xiàn)裂縫，交通量的日益增加后，拱頂撓度過(guò)大，對(duì)通行舒適性影響很大，故而需要采用一種加固方法，以有效的減小跨中拱肋的部位的撓度，故而對(duì)原橋采用反拱加固的方法進(jìn)行加固，見附圖4，計(jì)算加固后跨中撓度與加固前跨中撓度的比值。

原拱橋?yàn)闊o(wú)鉸拱橋，跨徑L＝68m，矢跨比S₁＝1/5，拱軸系數(shù)m₁＝3，反拱與待加固拱等效半徑之比i取值0.4，拱軸系數(shù)m₂＝4，矢高f₂＝5m，跨徑L₂＝18m。把參數(shù)帶入公式：

式中：可得到加固厚跨中撓度值和加固前的比值為0.628，即撓度減少了37.2％。

由此實(shí)例可以看到本發(fā)明對(duì)混凝土橋梁加固的顯著效果，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，通過(guò)基于反拱結(jié)構(gòu)加固混凝土拱橋或鋼拱橋的方法，可使得本類型混凝土拱橋或鋼拱橋跨中所受撓度至少降低30％，帶來(lái)可觀的工程效益。

通過(guò)不斷的調(diào)整反拱的參數(shù)，得到不同方案對(duì)應(yīng)原拱橋跨中撓度的減小量情況見表1-表4與圖5-圖8：

表1主拱圈跨中撓度減小百分比隨反拱等效半徑i的變化

表2主拱圈撓度減小百分比隨反拱拱軸系數(shù)m₂的變化

表3主拱圈撓度減小百分比隨跨徑之比Kr的變化

表4主拱圈撓度減小百分比隨S2的變化

綜上可見，跨中彎矩具有以下規(guī)律：

(1)反拱跨徑越大待加固拱的撓度減小百分比越大，但需綜合考慮施工及兼顧整體受力；

(2)加固反拱的矢高越高，其加固效果越好；

(3)加固反拱的拱軸系數(shù)m2對(duì)加固效果影響較?。?/p>

(4)在一定范圍內(nèi)加固反拱等效半徑i指標(biāo)越大，其加固效果越好。

(5)原拱的拱軸系數(shù)很大時(shí)，如果采用本發(fā)明進(jìn)行加固，可以有效的降低跨中撓度值，降低的平均幅度達(dá)到30％以上。