基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法與流程
本發(fā)明屬于拱橋加固技術領域，尤其涉及一種基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法。
背景技術：
拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結構型式，尤其是在廣西境內，更是常見，它和青山綠水相映，很是壯觀。但是隨著材料的老齡化和日益增加的交通量，大部分橋梁已經滿足不了運營需求。有些混凝土拱橋自重較大，主拱圈主要承受壓力，常會因為承壓不足造成拱圈裂縫增多，少數出現跨中明顯下?lián)献冃危休d力和舒適性下降；若拆掉重建，費時費力，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、調整拱上建筑恒載以及增強橫向整體性、粘貼鋼板和纖維復合材料、施加體外預應力等方法加固。大量實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，橋梁加固后運營不久就會出現新老材料的脫離，粘結力下降等問題，待加固橋梁之主拱圈跨中彎矩過大導致裂縫等通病得不到很好的改善。
技術實現要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種施工方便、簡單可靠、效果良好的基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：
基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法，通過在主拱圈拱肋下方設置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結構和原主拱圈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系式：
式中：
待加固拱和反拱的7個參數分別為反拱與待加固拱的等效半徑比i、待加固拱的計算跨徑L、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱軸系數m1，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S2、反拱的拱軸系數m2，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值KR；
Rf為反拱等效半徑，Ix，f為反拱的x方向慣性矩，Rori為待加固拱等效半徑，Ix，ori為待加固拱x方向慣性矩；
S1＝f1/L，S2＝f2/L，L為待加固拱計算跨徑，f1、f2分別為反拱和待加固拱的矢高，MZ為反拱加固后的跨中彎矩，MZori為待加固拱結構跨中彎矩。
反拱跨度為主拱跨度的1/4-1/2。
待加固拱的拱軸系數m1取值在2-8之間、反拱的拱軸系數m2取值在2-6之間。
待加固拱的矢跨比S1范圍為3/25-1/5，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S2范圍為0.02-0.06。
反拱與待加固拱的等效半徑比i取值在0.5-1.0之間。
豎桿的截面積取值為反拱截面積的0.75-1.0倍。
針對現有拱橋加固存在的問題，發(fā)明人建立了基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法，通過在主拱圈拱肋下方設置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結構和原主拱圈形成剛性約束支撐體系；并且該剛性約束支撐體系中拱橋跨中彎矩減小程度與待加固拱和反拱的7個參數(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m1，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S2、反拱的拱軸系數m2，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值KR)有密切的關系，通過設置不同7個參數變量值，采用待加固拱與加固后拱跨中彎矩的比值作為彎矩變化表征量，基于有限元參數分析擬合方法，即可得到以上7個參數與彎矩變化表征量的關系式。因此，針對不同設計參數的拱橋，應用本發(fā)明，結合前述關系式即可求解結構特征內力值，從而實現選取最優(yōu)方案進行反拱加固，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鍵截面的內力，加固的反拱結構具有很好的受力特性。綜上，本發(fā)明施工簡便，效果明顯，計算簡單，準確性高，具有廣闊的工程運用前景。
附圖說明
圖1是有限元計算模型圖與結構示意圖。
圖2是跨中彎矩擬合點位圖。
圖3是應用本發(fā)明的實例中某橋加固前圖。
圖4是應用本發(fā)明的實例中某橋加固后圖。
圖5是應用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數等效半徑比i變化的曲線圖。
圖6是應用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數反拱拱軸系數m2變化的曲線圖。
圖7是應用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數跨徑之比Kr變化的曲線圖。
圖8是應用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數反拱矢跨比S2變化的曲線圖。
圖中：1拱腳，2加固的反拱，3原主拱圈，4抗彎預埋件，5抗剪錨栓，6豎桿。
具體實施方式
一、基本原理
基于拱橋跨中彎矩減小的反拱結構加固方法——通過在主拱圈拱肋下方設置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結構和原主拱圈形成剛性約束支撐體系，從而可以有效的抵抗和分擔由拱肋傳遞的彎矩，同時可以增加拱肋的整體剛度和強度，大大的減少跨中彎矩值。
針對此體系，采用加固后的拱頂彎矩Mz與待加固拱的拱頂彎矩Mzori比值作為表征值進行擬合，通過大量數據(2700個，見圖1、圖2)擬合，得到表征值跨中彎矩Mz與已知相關參數的關系式(如下)，從而獲得最佳的加固參數；
式中：
待加固拱和反拱的7個參數分別為反拱與待加固拱的等效半徑比i、待加固拱的計算跨徑L、待加固拱的矢跨比S1、待加固拱的拱軸系數m1，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S2、反拱的拱軸系數m2，反拱的跨徑與待加固拱跨徑的比值KR；
Rf為反拱等效半徑，Ix，f為反拱的x方向慣性矩，Rori為待加固拱等效半徑，Ix，ori為待加固拱x方向慣性矩；
S1＝f1/L，S2＝f2/L，L為待加固拱計算跨徑，f1、f2分別為反拱和待加固拱的矢高，MZ為反拱加固后的跨中彎矩，MZori為待加固拱結構跨中彎矩。
根據上述關系式，如果待加固拱的參數已知，即可通過改變反拱參數，獲得需要的根據上述關系式，如果待加固拱的參數已知，即可通過改變反拱參數，獲得需要的跨中彎矩減小目標值。有關參數的取值范圍如下：
反拱跨度為主拱跨度的1/4-1/2。
待加固拱的拱軸系數m1取值在2-8之間、反拱的拱軸系數m2取值在2-6之間。
待加固拱的矢跨比S1范圍為3/25-1/5，反拱的矢高與待加固拱跨徑比S2范圍為0.02-0.06。
反拱與待加固拱的等效半徑比i不局限于圓形截面，任意截面型式都可通過上述公式換算得，取值在0.5-1.0之間。
豎桿的截面積取值為反拱截面積的0.75-1.0倍，但豎桿截面參數對加固后拱肋跨中彎矩減小的效果不明顯。
二、應用實例
某100m跨徑的上承式鋼拱橋，見附圖3，由于使用年限已久，材料老化較為嚴重，發(fā)現拱頂出現裂縫，交通量的日益增加后，拱頂彎矩過大，造成鋼拱肋的應力過大，故而需要加固以有效的減小跨中拱肋的部位的彎矩。應用本發(fā)明對原橋采用反拱加固的方法進行加固(見圖4)，計算加固后跨中彎矩與加固前跨中彎矩的比值。
待加固拱橋為無鉸拱橋，跨徑L＝100m，矢跨比S1＝1/6，拱軸系數m1＝5，反拱與待加固拱等效半徑之比i取值0.5，拱軸系數m2＝5，矢高f2＝5m，跨徑L2＝30m。把參數帶入公式：
式中：可得到加固厚跨中彎矩值和加固前的比值為0.257，彎矩減少了74.3％。
由此實例可以看到本發(fā)明對混凝土橋梁加固的顯著效果，通過大量數據分析，通過基于反拱結構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彎矩至少降低70％，帶來可觀的工程效益。
通過不斷的調整反拱的參數，得到不同方案對應待加固拱橋跨中彎矩的減小量情況見
表1-表4與附圖5-附圖8：
表1主拱圈跨中彎矩減小百分比隨反拱與待加固拱等效半徑比i的變化
表2主拱圈彎矩減小百分比隨反拱拱軸系數m2的變化
表3主拱圈彎矩減小百分比隨跨徑之比Kr的變化
表4主拱圈彎矩減小百分比隨S2的變化
綜上可見，跨中彎矩具有以下規(guī)律：
(1)反拱跨徑越小跨中彎矩減小幅度越大，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m2越低，其加固效果越好；
(4)在一定范圍內加固反拱等效半徑i指標越大，其加固效果越好。
(5)待加固拱的拱軸系數很大時，如果采用本發(fā)明進行加固，可以有效的降低跨中彎矩值，降低的平均幅度達到60％。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！