一种混凝土箱梁桥的反向顶升加固方法及顶升结构与流程

本发明属于桥梁技术领域，具体涉及一种混凝土箱梁桥的反向顶升加固方法及顶升结构。

背景技术：

预应力混凝土箱梁桥由于其结构强度高、整体性能好，通常用于中等及以上跨径桥梁上部结构形式。但是预应力混凝土箱梁桥随着运营期的增长受到外部环境的影响会出现一系列病害，例如预应力损失、超载车辆的长期作用导致的混凝土开裂、劣化等。随着病害的加深箱梁结构承载能力及刚度下降，处于带病服役的状态。因此需要对箱梁进行结构性加固，以提升或恢复桥梁结构的承载能力。

目前国内外常用的桥梁加固方法大多数属于被动加固方式，例如粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维布加固法、截面增大加固法等，其中粘贴钢板或钢构件加固方法在混凝土桥梁加固中最为常见。以上现有预应力混凝土箱梁加固技术的缺点有以下三个方面：

1)加固构件的二次受力问题：现有的预应力混凝土箱梁桥在加固时均为不卸载加固，即桥梁结构是在承受自重作用下进行的维修加固。这样所带来的问题是加固、改造前原有桥梁结构已有一定的变形。后加固的构件属于二次受力构件。原箱梁结构(一次受力构件)和加固构件(二次受力构件)之间存在变形不协调、受力不协调的问题；

2)加固构件无法承担混凝土箱梁自重问题：原桥梁结构在加固前已经处于受力平衡状态：桥梁原结构自重与结构抗力相互平衡。而后增设的加固构件无法对原结构抗力提供贡献，因此也无法有效抵抗桥梁的原有结构自重。加固构件只能承担汽车荷载产生的效应；

3)加固构件存在应力滞后效应：由于后加固的构件是二次受力构件，所以桥梁结构在加固前后存在分阶段受力的特点。即原结构自重由原桥梁结构承担，汽车荷载由加固后的“组合结构”承担。造成加固构件材料的强度发挥受原结构变形的限制，材料强度利用率低，应力存在滞后的现象；

所以，可以看出即使后增设的加固构件设计的足够强大，其对于桥梁原有结构承载能力的恢复也是有限的。这就是被动加固方法固有的缺陷，它只能阻止桥梁原结构承载力的进一步降低，而无法恢复原结构的自身强度。此外，与预应力混凝土箱梁自重相比，汽车活载所占桥梁荷载比例很小，桥梁原结构的抗力主要用于抵抗箱梁自重。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混凝土箱梁桥的反向顶升加固方法及顶升结构，解决加固构件承担桥梁自重问题以及减少加固构件应力滞后效应。

本发明提供了如下的技术方案：

一种混凝土箱梁桥的反向顶升加固方法，包括以下步骤：

通过混凝土箱梁桥的工况验算，获得箱梁底板的反向顶升位置、顶升力和顶升位移；

在所述反向顶升位置处安装钢横梁；

在所述钢横梁下方安装反向顶升结构作为顶升支点，所述反向顶升结构包括支撑于钢横梁下方的千斤顶；

根据所述顶升力和顶升位移，通过千斤顶在所述顶升支点处进行顶升；

在箱梁底板安装钢纵梁并进行加固；

卸载顶升力，拆除反向顶升结构，完成混凝土箱梁桥的加固。

优选的，所述反向顶升位置包括箱梁横隔板位置或箱梁的跨中位置。

优选的，在所述顶升支点处进行顶升包括步骤：

千斤顶加压，使箱梁抬升；

千斤顶锁定，使箱梁保持抬升状态。

优选的，根据顶升力和顶升位移在顶升支点处进行顶升时，箱梁在抬升后混凝土拉应力不超过设计限值。

优选的，所述钢横梁和钢纵梁均采用混凝土后锚固的方式安装于箱梁底板。

优选的，对于三跨预应力混凝土箱梁桥的反向顶升加固，在安装反向顶升结构作为顶升支点后，还包括以下步骤：

根据工况验算获得中跨箱梁底板的顶升力和顶升位移，在中跨的顶升支点处进行主顶升，同时在边跨进行辅助顶升；

在中跨的箱梁底板安装中跨钢纵梁并进行加固，然后卸载顶升力；

根据工况验算获得边跨箱梁底板的顶升力和顶升位移，在边跨的顶升支点处进行主顶升，同时在中跨进行辅助顶升；

在边跨的箱梁底板安装边跨钢纵梁并进行加固，然后卸载顶升力，拆除反向顶升结构。

一种混凝土箱梁桥的反向顶升结构，包括底座、固接于底座上方的若干钢管以及设于所述钢管上方的千斤顶，所述千斤顶用于支撑安装于箱梁下方的钢横梁，两个相邻的所述钢管间连接有若干剪刀撑。

优选的，所述钢管的上部和下部均固接有节点板，中部固接有横板，相邻两个钢管的横板间连接有钢横撑，所述剪刀撑呈交叉状连接于所述节点板与横板间。

优选的，所述剪刀撑包括连接呈交叉状的若干加劲板，所述加劲板间通过连接板相连，所述加劲板与连接板通过螺栓相连。

优选的，所述底座与地面间设有碎石垫层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对旧混凝土箱梁先进行“反向顶升”，再安装劲性钢梁的方案，使得劲性钢梁与旧混凝土箱梁一起承担原桥梁结构自重荷载，减少二次受力构件(劲性钢梁)的应力滞后效应，保证后加固的劲性钢梁与原混凝土箱梁共同协调受力，改善了桥梁加固效果，延长了桥梁的使用寿命；

(2)本发明在反向顶升加固箱梁的过程中，通过工况验算获得顶升力和顶升位移的双控指标，控制梁体顶升的安全性，确保加固方法及过程可靠、有效；

(3)本发明提供的反向顶升结构，强度高，结构简单，易搭建，操作便捷，可实现箱梁的灵活顶升。

附图说明

图1是三跨预应力混凝土连续箱梁桥的立面图；

图2是图1中三跨预应力混凝土连续箱梁桥的横断面图；

图3是箱梁安装钢横梁的结构示意图；

图4是箱梁安装反向顶升结构的立面图；

图5是图4中箱梁安装反向顶升结构的横断面图；

图6是反向顶升结构的放大结构示意图；

图7是第一次反向顶升的结构示意图；

图8是箱梁桥第一次反向顶升的高度指标图；

图9是箱梁桥第一次反向顶升的应力指标图；

图10是安装中跨钢纵梁的立面图；

图11是图10中安装中跨钢纵梁的横断面图；

图12是第二次反向顶升的结构示意图；

图13是箱梁桥第二次反向顶升的高度指标图；

图14是箱梁桥第二次反向顶升的应力指标图；

图15是安装边跨钢纵梁的立面图；

图16是反向顶升加固后的混凝土箱梁桥示意图；

图17是工况①顶升加载示意图；

图18是工况②顶升加载示意图；

图19是工况①顶升后箱梁顶板混凝土拉应力分布图；

图20是工况①顶升后箱梁底板混凝土拉应力分布图；

图21是工况②顶升后箱梁顶板混凝土拉应力分布图；

图22是工况②顶升后箱梁底板混凝土拉应力分布图；

图23是工况③顶升加载示意图；

图24是工况③顶升后箱梁底板混凝土拉应力分布图；

图25是工况④顶升后箱梁顶板混凝土拉应力分布图；

图26是工况④顶升后箱梁底板混凝土拉应力分布图；

图27是工况⑤顶升后箱梁底板混凝土拉应力分布图；

图28是自重恒载作用下的旧混凝土桥梁挠度变形对比图；

图29是自重加汽车荷载作用下的旧混凝土桥梁挠度变形对比图。

图中标记为：1、钢横梁；2、千斤顶；3、钢管；4、底座；5、碎石垫层；6、箱梁；7、化学锚栓；8、剪刀撑；9、节点板；10、连接板；11、钢横撑；12、螺栓；13、横板；14、加劲板；15、中跨钢纵梁；16、边跨钢纵梁；17、反向顶升结构；18、中跨跨中位置；19、中跨横隔板位置；20、边跨跨中位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

混凝土箱梁桥的反向顶升加固实施流程

以某三跨预应力混凝土连续箱梁桥为例，进行混凝土箱梁桥的反向顶升加固。预应力混凝土连续箱梁桥跨径分布为35m+50m+35m，中支点截面梁高2.5m，跨中及直线段梁高1.36m、边缘梁高为1.24m，梁高按照直线规律变化，如图1和图2所示。

混凝土箱梁桥的反向顶升加固方法，包括以下步骤：

(1)安装钢横梁

根据箱梁反向顶升工况验算获得箱梁底板的反向顶升位置，在反向顶升位置安装钢横梁，钢横梁通过化学锚栓7与混凝土底板锚固连接，如图3、5所示。

(2)安装反向顶升结构

在钢横梁下方安装反向顶升结构作为顶升支点。

如图4-6所示，混凝土箱梁桥的反向顶升结构，包括底座4、固接于底座4上方的若干钢管3以及设于钢管3上方的千斤顶2，千斤顶2用于支撑安装于箱梁6下方的钢横梁1，两个相邻的钢管3间连接有若干剪刀撑8。底座4与地面间设有碎石垫层5。

剪刀撑8包括连接呈交叉状的若干加劲板14，加劲板14间通过连接板10相连，加劲板14与连接板10通过螺栓12相连。钢管3的上部和下部均固接有节点板9，中部固接有横板13，相邻两个钢管3的横板间连接有钢横撑11，剪刀撑8呈交叉状连接于节点板9与横板13间。剪刀撑8和钢横撑11能够确保两根主要顶升受力构件(钢管)之间的横向稳定及横向连接强度，剪刀撑8和钢横撑11采用h型钢(150mm×100mm×6mm×9mm)，并通过节点板9和横板13使用高强螺栓12进行连接。

(3)第一次反向顶升-中跨的顶升

根据箱梁反向顶升工况验算双控指标：顶升位移和梁体顶升应力，在中跨的顶升支点处进行主顶升，同时在边跨进行辅助顶升，如图7所示。

设计中跨混凝土箱梁顶升力为2×1100kn，中跨顶升位移量为23mm。同时由于本桥为连续梁桥，中跨顶升时应同步对边跨进行顶升，以减小中跨顶升位移对边跨梁体造成的不利影响，因此边跨混凝土箱梁顶升力为500kn，如图8、9所示。

其中在顶升支点处进行顶升包括步骤：1)千斤顶加压，使箱梁抬升；2)千斤顶锁定，使箱梁保持抬升状态。

(4)安装中跨钢纵梁

千斤顶锁定后，在中跨的箱梁底板安装劲性中跨钢纵梁，并通过化学锚栓与混凝土底板锚固连接，如图10、11所示。安装完毕后卸载顶升力。

(5)第二次反向顶升-边跨的顶升

根据箱梁反向顶升工况验算双控指标：顶升位移和梁体顶升应力，在边跨的顶升支点处进行主顶升，同时在中跨进行辅助顶升，如图12所示。

设计边跨混凝土箱梁顶升力为2000kn，边跨顶升位移量为16mm。同时由于本桥为连续梁桥，边跨顶升时应同步对中跨进行顶升，以减小边跨顶升位移对中跨梁体造成的不利影响，因此中跨混凝土箱梁顶升力为700kn，如图13、14所示。

(6)安装边跨钢纵梁

千斤顶锁定后，在边跨的箱梁底板安装劲性边跨钢纵梁，并通过化学锚栓与混凝土底板锚固连接，如图15所示。

(7)顶升力卸载

逐级卸载顶升力，拆除反向顶升结构，使得劲性钢梁承担混凝土箱梁自重，如图16所示。

实施例2

反向顶升工况验算原则和方法

(1)顶升位置的选择有两个原则：

〈1〉由于顶升力较大，为防止顶升时对混凝土箱梁底板造成影响，因此顶升位置宜首选箱梁横隔板位置。其原因是箱梁横隔板位置设置有混凝土实体横隔板连接箱梁底板和顶板，该位置箱梁的强度和刚度较大，可以充分传递顶升力。

〈2〉如果箱梁没有设置横隔板，宜在跨中位置顶升，可以最大限度的均匀分配顶升力所产生的梁体附加内力。

(2)反向顶升工况验算双控指标有两个：〈1〉顶升位移；〈2〉梁体顶升应力。

确定这两个指标的验算原则是确保箱梁在抬升后混凝土拉应力不超过设计限值的前提下，尽可能抬升梁体。

以本依托工程为例，混凝土箱梁采用的是c50混凝土(目前绝大多数混凝土桥梁采用的混凝土等级为c50)，其材料抗拉强度标准值为2.65mpa。因此在梁体反向顶升后其箱梁上缘混凝土拉应力不应大于2.65mpa为基本准则。

(3)反向顶升工况验算方法

〈1〉针对第一次反向顶升的工况验算

第一次反向顶升目的是安装中跨钢纵梁，因此需要对中跨进行顶升。顶升位置选取中跨跨中位置18(工况①，如图17)和中跨横隔板位置19(工况②，如图18)分别进行工况验算。以箱梁顶板混凝土拉应力不超过抗拉强度标准值2.65mpa为控制原则。

通过验算发现工况①时在中跨跨中位置顶升力达到1320kn，顶升高度为22.8mm时，跨中箱梁顶板混凝土拉应力达到2.65mpa的控制值，如图19所示。同时受中跨顶升影响，边跨箱梁底板混凝土拉应力为2.4mpa，如图20所示。

工况②时在中跨横隔板位置顶升力分别达到1180kn时，顶升高度为34.2mm时，跨中箱梁顶板混凝土拉应力达到2.65mpa的控制值，如图21所示。同时受中跨顶升影响，边跨箱梁底板混凝土拉应力为4.0mpa，如图22所示。

由此可见，在验算控制原则下，工况②以较小的顶升力可以抬升梁体较大的高度，同时顶升位置在箱梁横隔板位置，对梁体的影响最小。因此顶升应以工况②的加载方式为宜。但是工况②顶升时边跨箱梁底板混凝土拉应力超出了2.65mpa的控制值，因此应当对于边跨进行同步顶升，以减小中跨顶升给边跨带来的不利影响。

在工况②下对边跨跨中位置20同步顶升，以箱梁底板混凝土拉应力2.65mpa为控制原则，此为工况③，如图23所示。

通过验算发现工况③时在边跨跨中顶升力达到640kn，顶升高度为6.4mm时，边跨箱梁底板混凝土拉应力可以控制在2.65mpa以内，如图24所示。

综合上述验算结果，为避免顶升过程对混凝土箱梁造成不利影响，以混凝土受拉强度标准值2.65mpa为控制目标。箱梁第一次反向顶升，中跨在横隔板位置顶升，顶升力设置为1100kn，边跨在跨中位置顶升，顶升力设置为500kn。

〈2〉针对第二次反向顶升的工况验算

第二次反向顶升目的是安装边跨钢纵梁，因此需要对边跨进行顶升。由于第一次反向顶升已确定顶升位置，因此第二次顶升位置不作调整。边跨顶升工况④通过验算发现在边跨跨中顶升力达到2100kn，顶升高度为18.2mm时，边跨跨中箱梁顶板混凝土拉应力达到2.65mpa的控制值，如图25所示。同时受边跨顶升影响，中跨箱梁底板混凝土拉应力为3.5mpa，如图26所示。

因此顶升工况④在顶升边跨时，造成中跨箱梁底板混凝土拉应力超出了2.65mpa的控制值，因此应当对于中跨进行同步顶升，以减小边跨顶升给中跨带来的不利影响，此为工况⑤，如图27所示。

综合上述验算结果，为避免顶升过程对混凝土箱梁造成不利影响，以混凝土受拉强度标准值2.65mpa为控制目标。箱梁第二次反向顶升，在边跨跨中位置顶升，顶升力设置为2000kn。中跨在横隔板位置顶升，顶升力设置为700kn。

实施例3

反向顶升工况验算流程及效果

以上述三跨预应力混凝土连续箱梁桥工程实例为依托，混凝土箱梁反向顶升技术双控指标验算流程如下表1所示。

表1反向顶升双控指标验算流程

按照上述流程，得到自重恒载作用下该桥未加固、加固未顶推(加固未反顶)、加固并顶推(加固并反顶)三种工况下的主梁挠度，如图28所示。由图中可以看出，运用梁体反向顶升技术的主梁挠度比未加固和加固未顶推的主梁挠度有明显减小。原因是：对原混凝土主梁向上进行竖向顶升之后，梁体有一定的“反拱”预变形，后增设的劲性钢梁将承担一定的旧混凝土梁体恒载。

按照上述流程，得到自重加汽车荷载作用下该桥加固未顶推、加固并顶推的主梁挠度，如图29所示。从图中可以看出，运用梁体反向顶升技术的主梁挠度比加固未顶推的主梁挠度有明显减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。