本發(fā)明屬于拱橋加固技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于拱橋拱腳負彎矩減小的反拱結(jié)構(gòu)加固方法。

背景技術(shù)：

拱橋是我國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(jīng)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(shù)出現(xiàn)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(diào)整拱上建筑恒載以及增強橫向整體性、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(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拱腳負彎矩過大導(dǎo)致裂縫等通病得不到很好的改善。

技術(shù)實現(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、簡單可靠、效果良好的基于拱橋拱腳負彎矩減小的反拱結(jié)構(gòu)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：

基于拱橋拱腳負彎矩減小的反拱結(jié)構(gòu)加固方法，通過在主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結(jié)構(gòu)和原主拱圈形成剛性約束支撐體系；豎桿長度大于反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離，在反拱的跨中采用千斤頂進行預(yù)頂升，將反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離頂升到豎桿的長度后，安裝豎桿；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個參數(shù)分別為反拱與待加固拱等效半徑比i、待加固拱計算跨徑L、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，加固反拱縱向長度與拱總跨徑的比值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_xori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，M_b為反拱加固后的拱腳負彎矩，M_bori為原拱結(jié)構(gòu)拱腳負彎矩。

反拱跨度為主拱跨度的1/4-1/2。

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

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的范圍為0.02-0.06。

反拱與待加固拱等效半徑比i取值在0.5-1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(xiàn)有拱橋加固存在的問題，發(fā)明人建立了一種基于拱橋拱腳負彎矩減小的反拱結(jié)構(gòu)加固方法，通過在主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結(jié)構(gòu)和原主拱圈形成剛性約束支撐體系；豎桿長度大于反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離，在反拱的跨中采用千斤頂進行預(yù)頂升，將反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離頂升到豎桿的長度(8)后，安裝豎桿；并且該剛性約束支撐體系中拱橋拱腳負彎矩減小程度與待加固拱和反拱的7個參數(shù)(反拱與待加固拱等效半徑比i、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，加固反拱縱向長度與拱總跨徑的比值K_R)有密切的關(guān)系。通過設(shè)置7個參數(shù)的不同變量值，采用原拱與加固后拱拱腳負彎矩的比值作為彎矩變化表征量，基于有限元參數(shù)分析擬合方法，得到了以上7個參數(shù)與彎矩變化表征量的關(guān)系式。因此，針對不同設(shè)計參數(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，從而實現(xiàn)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(guān)鍵截面的內(nèi)力，大大的減少拱腳負彎矩值，加固的反拱結(jié)構(gòu)具有很好的受力特性。綜上，本發(fā)明施工簡便，效果明顯，計算簡單，準(zhǔn)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。

圖2是拱腳負彎矩擬合點位圖。

圖3是應(yīng)用本發(fā)明的實例中某橋加固前圖。

圖4是應(yīng)用本發(fā)明的實例中某橋反拱加固時跨中采用千斤頂頂升示意圖。

圖5是應(yīng)用本發(fā)明的實例中某橋加固后圖。

圖6是應(yīng)用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數(shù)等效半徑比i變化的曲線圖。

圖7是應(yīng)用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數(shù)反拱拱軸系數(shù)m₂變化的曲線圖。

圖8是應(yīng)用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數(shù)跨徑之比Kr變化的曲線圖。

圖9是應(yīng)用本發(fā)明加固后彎矩減小百分比隨參數(shù)反拱矢跨比S₂變化的曲線圖。

圖中：1 拱腳，2 加固的反拱，3 原主拱圈，4 抗彎預(yù)埋件，5 抗剪錨栓，6 豎桿，7 橋面系，8 豎桿的長度，9千斤頂。

具體實施方式

一、工作原理

基于拱橋拱腳負彎矩減小的反拱結(jié)構(gòu)加固方法——通過在主拱圈拱肋下方設(shè)置反拱，并在反拱和拱肋之間用豎桿相連，再通過抗彎預(yù)埋件和抗剪錨栓把反拱的拱腳和拱肋連接在一起，使得用來加固的反拱結(jié)構(gòu)和原主拱圈形成剛性約束支撐體系；所述豎桿長度大于反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離，在反拱的跨中采用千斤頂進行預(yù)頂升，將反拱跨中最低點到原拱肋跨中最高點的距離頂升到豎桿的長度后，安裝豎桿；

針對此體系，采用加固后的拱腳負彎矩Mb與未加固的拱腳負彎矩Mb_ori比值進行擬合，通過大量的數(shù)據(jù)(2700個，見圖1、圖2)擬合，得到表征值拱腳負彎矩Mb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個參數(shù)分別為反拱與待加固拱等效半徑比(矢跨比)i、待加固拱計算跨徑L、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，加固反拱縱向長度與拱總跨徑的比值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_xori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，M_b為反拱加固后的拱腳負彎矩，M_bori為原拱結(jié)構(gòu)拱腳負彎矩。

根據(jù)上述關(guān)系式，如果待加固拱的參數(shù)已知，即可通過改變反拱參數(shù)，獲得需要的拱腳負彎矩減小目標(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。

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

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的范圍為0.02-0.06。

反拱與待加固拱等效半徑比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到，且取值在0.5-1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(shù)對加固后拱肋拱腳負彎矩減小的效果不明顯。

二、應(yīng)用實例

某93m跨徑的上承式混凝土拱橋，見附圖3，由于使用年限已久，材料老化較為嚴重，發(fā)現(xiàn)拱腳出現(xiàn)裂縫，交通量的日益增加后，拱腳負彎矩過大，造成拱肋拱腳的應(yīng)力過大，故需要加固以有效的減小拱腳部位的彎矩，故而對原橋采用本發(fā)明的反拱加固方法進行加固(圖4)，計算加固后拱腳負彎矩與加固前拱腳負彎矩的比值。

原拱橋為無鉸拱橋，跨徑L₀＝93m，矢跨比1/8，拱軸系數(shù)m₁＝2.514；反拱與待加固拱等效半徑比i＝0.935，拱軸系數(shù)m₂＝3，矢跨比1/8，跨徑L₁＝40m。把參數(shù)帶入公式：

式中：可得到加固后拱腳負彎矩值和加固前的比值為0.695，彎矩減少了30.5％。

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(shù)據(jù)分析，通過基于反拱結(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拱腳負彎矩至少降低30.5％，帶來可觀的工程效益。

通過不斷的調(diào)整反拱的參數(shù)，得到不同方案對應(yīng)原拱橋拱腳負彎矩的減小量情況見表1-表4與附圖6-附圖9：

表1 主拱圈拱腳負彎矩減小百分比隨反拱剛度的變化

表2 主拱圈拱腳負彎矩減小百分比隨反拱拱軸系數(shù)m₂的變化

表3 主拱圈拱腳負彎矩減小百分比隨反拱矢高S2的變化

表4 主拱圈拱腳負彎矩減小百分比隨跨徑比Kr的變化

綜上可見，拱腳負彎矩以下規(guī)律：

(1)反拱跨徑越大加固效果越好，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變化，對拱腳負彎矩改變不明顯；

(4)在一定范圍內(nèi)加固反拱剛度i指標(biāo)越大，其加固效果越好。