本发明涉及圬工拱桥的维修加固及拱桥结构设计领域，特别涉及了一种提升结构抗力的拱桥加固结构和方法，该方法是通过结构补强调节主拱圈内力以提升结构抗力，可以应用于圬工拱桥中损坏严重的腹拱圈加固及新建拱桥的腹拱圈结构设计。
背景技术：
一般的拱桥设计主要考虑让主拱圈在恒载作用下及恒载与主要活载的组合荷载下拱轴线与拱轴压力线重合(五点重合法)，但是长期运营在交通量不断增加的过程中即活载不断增加导致拱轴线与压力线出现偏移，这是导致拱桥损失的主要因素，外观特征体现在拱圈和拱上建筑存在不同程度的损坏，有的甚至严重影响到结构的使用安全。对于运营中的危、旧桥结构，采用拆除重建或更换梁板来提高桥梁设计等级的做法不仅投资巨大，还会引起交通停滞等问题。特别是一些主拱圈未发现明显病害、承载能力尚能满足需要的圬工拱桥，通过对薄弱构件的加固补强，改善结构整体性能，恢复原有桥梁的使用效能，具有明显的经济效益。
目前，拱桥局部加固改造技术主要有：灌浆加固技术、贴钢板加固法、对桥梁结构施加预应力等。上述拱桥加固技术均有大量的工程实践经验，特别是粘贴钢板、增大截面和灌浆技术等传统方法在日常的拱上建筑加固工程中运用广泛，但不恰当的加固改造方案不仅对改善结构受力效果不大，还可能产生负面效应。如灌浆技术对提高桥梁承载力极为有限。
因此，针对主拱圈未发现明显病害的圬工拱桥，应尽量从克服其主要影响因素方面出发，从根本上解决问题，恢复因长期运营过程中活载不断增加导致拱轴线与压力线出现的偏移，让主拱圈在恒载作用下及恒载与主要活载的组合荷载下拱轴线与拱轴压力线再次重合，从而有效解决拱桥主体机构损伤问题，并确保加固后结构的长期可靠性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种提升结构抗力的拱桥加固方法，通过结构补强调节主拱圈内力，可以有效地增强主拱圈截面抗力，恢复并提高旧桥的承载能力。
本发明的另一个目的在于提供一种提升结构抗力的拱桥加固结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种提升结构抗力的拱桥加固结构，包括：拱顶区域加固结构，其包括补强钢筋、混凝土层和轻质混凝土层，所述补强钢筋铺设于拱顶区域，所述混凝土层铺设在拱顶区域表面，，所述轻质混凝土层铺设在所述混凝土层上；拱脚区域上缘加固结构；其包括补强钢筋和混凝土层，所述补强钢筋铺设于拱脚区域的上缘表面，采用三角形渐变式，所述混凝土层铺设在拱脚区域上缘表面；以及拱脚区域下缘加固结构，其包括补强钢筋和混凝土层，所述补强钢筋铺设于拱脚区域的下缘表面，所述混凝土层铺设在拱脚区域下缘表面。
优选地，上述技术方案中，还包括加固层，其铺设在拱顶区域下缘表面。
一种提升结构抗力的拱桥加固方法，包括以下步骤：
(1)在拱顶上缘表面焊接拱顶区域的补强钢筋，钢筋布置完成后在拱顶区域浇筑混凝土，然后采用轻质混凝土替换原有填土，再进行桥面铺装工作；
拱顶浇筑一定厚度的混凝土，用来提高截面抗力同时适当增加截面高度；拱顶区域浇筑轻质混凝土对原有拱顶填土进行替换，一方面增加截面高度提高截面抗力，另一方面又可以有效减轻拱顶荷载，对拱顶内力进行调节。在几乎不增加自重的情况下使拱顶区域浇筑一定厚度的混凝土与拱顶区域浇筑轻质混凝土形成一个受力整体，达到增加结构整体高度，增加受压区高度，从而解决拱顶上缘压应力超标问题，还可以起到调节主拱圈内力的作用。
(2)检测计算弯矩零点分界线，该弯矩零点分界线是拱顶区域和拱脚区域的分界线；
(3)在拱脚区域上缘表面焊接拱脚区域的补强钢筋，该补强钢筋的厚度采用三角形渐变式，钢筋布置完成后进行拱脚区域上缘增大截面区域的浇筑工作；
拱脚区域上缘内置拱脚区域上缘补强钢筋，有效的增加了截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，同时拱脚区域上缘增大截面区域的形式是采用三角形更有效的调节结构的内力，具体浇筑尺寸以计算为准。拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，减少了拱顶正弯矩。
(4)在拱脚区域下缘表面焊接拱脚区域的补强钢筋，钢筋布置完成后浇筑混凝土，混凝土需完全包裹钢筋等易腐蚀易生锈结构；
拱脚区域下缘内置拱脚区域下缘补强钢筋，该措施会增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，调节了结构内力，减少了拱顶正弯矩。
优选地，上述技术方案中，所述提升结构抗力的拱桥加固方法还包括步骤(5)，在拱顶区域下缘铺设加固层。
优选地，上述技术方案中，步骤(5)中铺设加固层为采用高性能的碳纤维布配套树脂浸渍胶粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面。高性能的碳纤维布配套树脂浸渍胶粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的；既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身的特性使增加的结构自重可以忽略不计。
优选地，上述技术方案中，步骤(5)中铺设加固层为将钢板粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面。可以采用粘结抗拉强度较高的材料进行加固处理，既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身的特性使增加的结构自重可以忽略不计。钢板则具备良好的磨削性能、良好的热处理尺寸稳定性、良好的韧性、良好的红硬性、良好的耐磨性。
优选地，上述技术方案中，步骤(1)中浇筑的混凝土为普通混凝土，浇筑混凝土的厚度为8-15cm。
优选地，上述技术方案中，在进行步骤(1)前，在桥梁上、下游两侧实测拱肋下缘边缘线坐标，根据实测的拱底边缘线坐标，进行等分。
本发明提升结构抗力的拱桥加固方法，原理如下：
由图1可见，图中1-a所示的是正常荷载情况下拱轴位移变形量；图中1-b所示的是长期运营在交通量不断增加的过程中即活载不断增加拱轴位移情况，此时拱顶下缘与拱脚上缘产生较大的拉应力，导致位移量较大，主拱圈会出现损坏情况；图1-c所示的主拱圈，是通过本发明的处理方法后，在不增加结构承载力的同时增加了拱顶抗力，同时增加了拱脚的承载力，改善并一定程度的恢复了原结构的位移变形，控制住结构的继续损坏的同时改善了结构的整体受力情况，使桥梁能够在较低修复资金投入的情况下，继续安全通车。
拱顶区域浇筑一定厚度的混凝土用来提高截面抗力同时适当增加截面高度；拱顶区域浇筑轻质混凝土对原有拱顶填土进行替换，一方面增加截面高度提高截面抗力，另一方面又可以有效减轻拱顶荷载，对拱顶内力进行调节。在几乎不增加自重的情况下达到增加结构整体高度，增加受压区高度，从而解决拱顶上缘压应力超标问题，还可以起到调节主拱圈内力的作用。拱脚区域上缘增大截面区域有效的增加了截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力。拱脚区域下缘增大截面区域同样是增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力。拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，减少了拱顶正弯矩。拱顶区域下缘加固层用于拱顶区域下缘的加固，可以采用粘结抗拉强度较高的材料进行加固处理，既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身的特性使增加的结构自重可以忽略不计。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的提升结构抗力的拱桥加固结构，在拱顶区域上缘替换掉原有填土，植筋、加厚受力结构，主要为增加结构整体高度，增加受压区高度，降低拱顶自重，从而解决拱顶上缘压应力超标问题。在拱顶区域下缘(拱顶到1/4跨径附近，以实际计算为准)采用加固层，来提高结构抗拉能力。对拱脚的处理(1/4跨径附近到拱脚，以实际计算为准)，在拱脚区域上缘加厚截面，增加截面高度，增大抗力。以弯矩零点为分界点，增大拱圈下缘截面，增大抗力。
(2)本发明提升结构抗力的拱桥加固方法，对拱顶区域和拱顶区域下缘的处理，不增加恒载，不会对机构造成额外负担。彻底改善截面，大幅度增大拱顶抗力；采用加固层处理，增加拱圈截面的抗弯、拉的能力。对拱脚的处理，可以增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，减少了拱顶正弯矩，实现调节拱轴压力线的目的，提高了拱顶的截面抗力。
附图说明
图1是拱桥拱轴变性位移的结构示意图；
其中，图1-a为正常荷载情况下拱轴位移变形量；
图中1-b所示的是长期运营在交通量不断增加的过程中即活载不断增加拱轴位移情况；
图1-c所示的主拱圈是经本发明拱桥加固方法处理后拱轴的情况。
图2是根据本发明的提升结构抗力的拱桥加固结构的结构示意图。
图3是根据本发明的提升结构抗力的拱桥加固结构的局部结构示意图。
图4是根据本发明的提升结构抗力的拱桥加固结构中拱顶区域工字型换算主拱圈断面的结构示意图。
图5是根据本发明的提升结构抗力的拱桥加固结构中拱脚区域工字型换算主拱圈断面的结构示意图。
图6是根据实施例水汶大桥桥型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图2至图6所示，根据本发明具体实施方式的一种提升结构抗力的拱桥加固结构，包括：拱顶区域加固结构1，其包括补强钢筋11、混凝土层12和轻质混凝土层13，补强钢筋11铺设于拱顶区域，混凝土层12铺设在拱顶区域表面覆盖补强钢筋11，在此基础上利用轻质混凝土回填替换原有填土，形成轻质混凝土层13。在拱顶区域上缘替换掉原有填土，植筋、加厚受力结构，主要为增加结构整体高度，增加受压区高度，降低拱顶自重，从而解决拱顶上缘压应力超标问题。拱脚区域上缘加固结构2包括补强钢筋21和混凝土层22，补强钢筋21铺设于拱脚区域的上缘表面，采用三角形渐变式，混凝土层22铺设在拱脚区域上缘表面。拱脚区域下缘加固结构3包括补强钢筋31和混凝土层32，补强钢筋31铺设于拱脚区域的下缘表面，混凝土层32铺设在拱脚区域下缘表面。对拱脚的处理(1/4跨径附近到拱脚，以实际计算为准)，在拱脚区域上缘加厚截面，增加截面高度，增大抗力。确定弯矩零点，以弯矩零点为分界线4，增大拱圈下缘截面，增大抗力。加固层5铺设在拱顶区域下缘表面。在拱顶区域下缘(拱顶到1/4跨径附近，以实际计算为准)采用加固层，来提高结构抗拉能力。
具体的拱桥加固方法如下：
一种提升结构抗力的拱桥加固方法，包括以下步骤：
(1)在拱顶区域上缘表面焊接拱顶区域的补强钢筋11，补强钢筋11布置完成以后进行拱顶区域浇筑一定厚度的混凝土，优选的，选用普通混凝土，形成混凝土层12，厚度控制在8-15cm，优选地，以12公分左右为佳保护层厚度要满足相关规范要求；利用轻质混凝土回填进行回填浇筑工作，替换全部原有填土，形成混凝土层13。完成拱顶区域浇筑一定厚度的混凝土、拱顶区域浇筑轻质混凝土的浇筑工作后再进行桥面铺装的铺筑工作。
拱顶浇筑一定厚度的混凝土，用来提高截面抗力同时适当增加截面高度；拱顶区域浇筑轻质混凝土对原有拱顶填土进行替换，一方面增加截面高度提高截面抗力，另一方面又可以有效减轻拱顶荷载，对拱顶内力进行调节。在几乎不增加自重的情况下使拱顶区域浇筑一定厚度的混凝土与拱顶区域浇筑轻质混凝土形成一个受力整体，达到增加结构整体高度，增加受压区高度，从而解决拱顶上缘压应力超标问题，还可以起到调节主拱圈内力的作用。
(2)检测计算弯矩零点，以弯矩零点为分界线4，该弯矩零点分界线是拱顶区域和拱脚区域的分界线；
(3)在拱脚区域上缘表面焊接拱脚区域的补强钢筋21，该补强钢筋的厚度采用三角形渐变式，钢筋布置完成后进行拱脚区域上缘增大截面区域的浇筑工作，浇筑混凝土后形成混凝土层22，保护层厚度要满足相关规范要求；
拱脚区域上缘内置拱脚区域上缘补强钢筋，有效的增加了截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，同时拱脚区域上缘增大截面区域的形式是采用三角形更有效的调节结构的内力，具体浇筑尺寸以计算为准。拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，减少了拱顶正弯矩。
(4)在拱脚区域下缘表面焊接拱脚区域的补强钢筋31，钢筋布置完成后浇筑混凝土，浇筑采用现浇方式即可，需完全包裹住拱脚区域下缘补强钢筋等易腐蚀易生锈结构；
拱脚区域下缘内置拱脚区域下缘补强钢筋，该措施会增加截面高度和面积，极大增强拱脚的抗力，拱脚截面面积的增大，增加了拱脚部分的自重，起到了“压拱”的作用，调节了结构内力，减少了拱顶正弯矩。
优选地，提升结构抗力的拱桥加固方法还包括步骤(5)，在拱顶区域下缘铺设加固层5。采用加固层处理，增加拱圈截面的抗弯、拉的能力。
优选地，步骤(5)中铺设加固层为采用高性能的碳纤维布配套树脂浸渍胶粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面。高性能的碳纤维布配套树脂浸渍胶粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的；既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身的特性使增加的结构自重可以忽略不计。
优选地，步骤(5)中铺设加固层为将钢板粘结于拱顶区域下缘混凝土构件的表面。可以采用粘结抗拉强度较高的材料进行加固处理，既可以达到提高结构抗拉强度的效果，又由于材料本身的特性使增加的结构自重可以忽略不计。钢板则具备良好的磨削性能、良好的热处理尺寸稳定性、良好的韧性、良好的红硬性、良好的耐磨性。
应用实例：
1、水汶大桥概况
本发明以水汶大桥为例，水汶大桥位于207国道岑溪市水汶镇内，由广西壮族自治区林业局林业勘测设计队设计，建于1977年。桥梁为2跨净跨60米，净矢高7.5米，拱轴系数m＝3.5的等截面悬链线空腹式双曲拱。拱圈为5肋4波，桥台为重力式台，桥墩为沉井基础重力式墩(如图5)。桥宽7.8米，桥面为净-7米+2×0.25米安全带，设计荷载汽－15，拖－80。本桥没有竣工图，根据设计资料描述，设计时曾采用6米钢钎对桥位进行地质踏勘，确认河床下4.5～5米处为黑砂岩，因此，桥梁墩、台均以黑砂岩为持力层。由于南渡至水汶二级公路的建设，本桥的设计荷载已经不能满足现有公路荷载等级的要求，由此需要对旧桥进行加固、提载，使桥梁达到二级公路汽－20、挂－100荷载等级的要求。
2、实测拱轴线
采用宾得免棱镜全站仪在桥梁上、下游两侧实测拱肋下缘边缘线坐标。实测主拱净跨为60.16米，净矢高7.49米。按实测的拱底边缘线坐标，进行24等分，列出各等分线处的净高值，如下表1所示。
表1：水汶岸拱底24等分矢高表(单位：米)
从表1中数据可以看出，拱轴线在1/4跨处与原设计偏差比较大，达16.8厘米；实测桥梁净跨径60.16米比设计净跨径60.0米大0.16米。
3、各施工阶段主拱圈截面抗力验算结果
具体实施过程实施步骤按上述过程进行，各施工阶段主拱圈截面抗力验算结果见下表2。
表2：各施工阶段主拱圈截面抗力验算表
注：表中截面验算内力考虑了施工时的安全系数
如表2所示，通过替换拱顶填料和增大拱脚截面这两项加固措施，加固后主拱圈的恒载压力线与拱轴线重合程度明显优于加固前。由于受主拱圈矢跨比的影响，其恒载压力线虽然没有达到常规设计“五点重合”的要求，但是达到了“三点重合”(拱顶，1/4跨，3/4跨)的设计效果，改变了主拱圈受力形式，为进一步提高桥梁的承载能力奠定了基础。水汶大桥主拱结构通过本发明提供的方法有效的改善了桥梁的受力特性，提高了旧桥的承载能力，延长了旧桥的使用寿命，获得了较好的社会经济效益。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。