基于拱桥跨中弯矩减小的反拱结构加固方法与流程

本发明属于拱桥加固技术领域，尤其涉及一种基于拱桥跨中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跨中弯矩过大导致裂缝等通病得不到很好的改善。

技术实现要素：

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跨中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：

基于拱桥跨中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；

R_f为反拱等效半径，I_x，f为反拱的x方向惯性矩，R_ori为待加固拱等效半径，I_x，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，M_Z为反拱加固后的跨中弯矩，M_Zori为待加固拱结构跨中弯矩。

反拱跨度为主拱跨度的1/4-1/2。

待加固拱的拱轴系数m₁取值在2-8之间、反拱的拱轴系数m₂取值在2-6之间。

待加固拱的矢跨比S₁范围为3/25-1/5，反拱的矢高与待加固拱跨径比S₂范围为0.02-0.06。

反拱与待加固拱的等效半径比i取值在0.5-1.0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，发明人建立了基于拱桥跨中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跨中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，通过设置不同7个参数变量值，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，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与结构示意图。

图2是跨中弯矩拟合点位图。

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加固后图。

图5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6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7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8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。

具体实施方式

一、基本原理

基于拱桥跨中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，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。

针对此体系，采用加固后的拱顶弯矩Mz与待加固拱的拱顶弯矩Mz_ori比值作为表征值进行拟合，通过大量数据(2700个，见图1、图2)拟合，得到表征值跨中弯矩Mz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K_R；

R_f为反拱等效半径，I_x，f为反拱的x方向惯性矩，R_ori为待加固拱等效半径，I_x，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，M_Z为反拱加固后的跨中弯矩，M_Zori为待加固拱结构跨中弯矩。

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取值在2-8之间、反拱的拱轴系数m₂取值在2-6之间。

待加固拱的矢跨比S₁范围为3/25-1/5，反拱的矢高与待加固拱跨径比S₂范围为0.02-0.06。

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，取值在0.5-1.0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跨中弯矩减小的效果不明显。

二、应用实例

某100m跨径的上承式钢拱桥，见附图3，由于使用年限已久，材料老化较为严重，发现拱顶出现裂缝，交通量的日益增加后，拱顶弯矩过大，造成钢拱肋的应力过大，故而需要加固以有效的减小跨中拱肋的部位的弯矩。应用本发明对原桥采用反拱加固的方法进行加固(见图4)，计算加固后跨中弯矩与加固前跨中弯矩的比值。

待加固拱桥为无铰拱桥，跨径L＝100m，矢跨比S₁＝1/6，拱轴系数m₁＝5，反拱与待加固拱等效半径之比i取值0.5，拱轴系数m₂＝5，矢高f₂＝5m，跨径L₂＝30m。把参数带入公式：

式中：可得到加固厚跨中弯矩值和加固前的比值为0.257，弯矩减少了74.3％。

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弯矩至少降低70％，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跨中弯矩的减小量情况见

表1-表4与附图5-附图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)反拱跨径越小跨中弯矩减小幅度越大，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，可以有效的降低跨中弯矩值，降低的平均幅度达到60％。