（道路与铁道工程专业论文）拱桥加固改造新途径.pdf

，生：p+ 一，二大，项j 三学蔓：二乏 摘要 本文的在将数年来国内在桥梁改造加固生产实际中取得的成果总结的基础 上，提出了新的拱桥加固改造新途径一变拱式拱上建筑为粱板式拱上建筑的新 型加固方法( 又称拱背加固减载法) 。 本文第一章、第二章主要介绍拱桥破损的原因和常用的维修和加固改造方 法及其应用范围和具体实例。第三章提出了拱桥维修和加固改造中的一种新方 法。仆口通过拆除拱式拱上建筑中的拱上填料、侧墙、护拱等传力结构，从拱背 上加强拱圈，变拱式拱上建筑为梁拱式拱上建筑。这种加固方法，从整体上加 强了主拱圈，重点加强拱脚、拱顶和3 8 截面，还能大大减轻桥跨结构的自重。 本文结合湖北省三峡库区3 号桥和福建省永安大溪桥的加固实例，分析拱背加固 减载法的机理、特点和适用范围，并将之与其余常用的加固方法进行了比较， 充分说明此种加固方法的优越性。玢；四章和第五章指出了加固改造后主拱圈按 照传统圬工砌体计算，将由于偏心过大而不能满足规范要求的问题。并相应地 提出可根据实际情况，将主拱圈按钢筋混i 疑土构件计算的方法。给出了判断是 否钢筋混凝土构件的原则及任意截面最小配筋率的精确求算的方法。并给出了 永安大溪桥的计算示例。 第六章针对改造后拱桥主拱圈截面几何特l 生发生较大变化的特点受连拱作 用对加固后全侨受力分忻的影响，运用有限元方法建立空间模型，在充分考学 了主拱圈的几何特性和连拱的影响的基础上，提出了新的建模方j 圭，对加固改 造后的拱桥用空间计算模型来进行结构的精确的内力计算和动力分盱，在保征 计算精度的前提下，还用换算7 t 0 度法对模型进行了简化计算。并给出了，用 a n s y s 对永安市大溪桥进行建模计算的示例，并和第五章的结果加以比较。 第七章针对公路桥梁堕鏖堕壅塞全：汪盐的问题，进行了竖銎亟鑫的夏形 和强度易损性评估的具体分析与研究，并结合抗震规范的超越概率评价了地震 的危险性损害。第八章推导了基于反应谱方法上的中小跨径拱瞬的平面挠曲地 震震动的简化分析公式，并对永安市大溪桥逆行了抗震验算， 关键词：拱矫；加固卸改造：拱j ：毪筑；拱。弩加固减载弦 、一 7 兰中科技大学硕士学垃论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , af l e wa p p r o a c ho f m a i n t e n a n c ea n ds t r e n 婴h e n i n go fa r c hb r i d g e i si n t r o d u c e d t h r o u g ht h er e m o v a lo ft r a n s f e r r i n g s t r u c t u r e so na r c hr i n g ，s u c ha s f i l l i n go na r c h ，s i d e w a l la n da r c h - s h i e l d ，t h ea r c hr i n gi ss t r e n 寸h e n e da n dt h ea r c h b u i l d i n go ne x t r a d o si s c o n v e r t e di n t og i r d e r a r c h b u i l d i n g a tt h es a m et i m e ，t h e s e l fw e i g h to ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o nw i l lb er e d u c e d t h em e t h o do fr e i n f o r c e m e n t o fa r c h b r i d g e i sa ni n n o v a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nt ot r a d i t i o na l e x t e n d s e c t i o n m e t h o d b yc o m b i n i n gt h ee x a m p l eo fr e i n f o r c i n gn o 3 b r i d g ei nt h r e e - g o r g e r e s e r v o i r a r e ao fh u b e ip r o v i n c ea n dd a x i b r i d g e i n y o n g a nc i t y o ff u j i a n p r o v i n c e ，t h em e c h a n i s m ，c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a b l e r a n g e o ft h em e t h o do f r e i n f o r c e m e n ta n dr e d u c i n g1 0 a do nt h ee x t r a d o so fa r c hb r i d g ea r ea n a l y z e di n g e n e r a l ，c o m p a r e d w i t h m a n yo t h e rm e t h o d s ，t h i s r e i n f o r c e m e n tm e t h o di sa n e f f i c i e n tw a yw i t hac o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ab e t t e rq u a i ln ra n da1 e s sc o s t i ft h ea r c hb r i d g ei ss e e m e da sam a s o n r ys t r u c t u r e t h ec a l c u l a t i o no fi n t e r n a l f o r c eo ft h es e c t i o no ft h ea r c hr i n gs e c t i o ni n d i c a t e st h a ts e v e r a lt y p i c a ls e c t i o n so f a r c hr i n ga r en o tf e a s i b l eb e c a u s eo ft h ee x c e s se c c e n t r i c i t yi nf a c t 、v ec a nt e s tt h e f o r c eo ft h ea r c hr i n ga c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fr cm e m b e rt h e na p r o b l e m o fj u d g i n gw h e t h e ra c o m p l e xb e a m i sam e m b e r 、i t ha p r o p e r b a r a r r a n g e m e n to rn o ti sp u tf o r w a r d s ot b u rp o i n t s & j u d g i n gc o n d i t i o n sa r e ；i 、e na s f o l l o w i n g ： f i r s t l 、n o n c o n c r e t ep a r t so fat o t a is e c t i o na r em u c h1 e s st h a nc o n c r e t ep a r t s s e c o n d l y n o n c o n c r e t ep a r t so f at o t a ls e c t i o na r en e a rt h em e d i a n a x i s t h i r d l y , t h em i n b a r a r r a n g e m e n to f t h ec o m p l e xs e c t i o ni s g i v e na c c o r d i n gt o t h ed e f i t i o no f t h em i nb a ra r r a n g e m e n t ，t h e nt h eb a ra r r a n g e m e n to ft h er cm e m b e r i ne x i s t e n c em u s te x c e e dt h en f i nb a r a r r a n g e m e n t b a s i n uo nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fm i nb a ra r r a n g e m e n ta n d c o n s i d e r i n u i n f l u e n c eo f , _ , e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o t a ls e c t i o n t h e nc o m m o nc h e c k i n a c o m p u t a t i o n so r 瞄e r a lt 、p i c a lr i n gs e c t i o n sa r e ! i 、e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ) 华中科技大学硕士学位论文 i n c l u d i n gs e l f - v i b r a t i o nf r e q u e n c y ，m o d eo fv i b r a t i o na n dl i v el o a do fa r c hb r i d g e s a r ea n a l y z e dw i t ht h er e s u l t so f d y n a m i c t e s t sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d s o m en e wf e a t u r e sa n dl e s s o n sd r a w nf r o mr e c e n t o v e r s e a sa n dd o m e s t i c e a r t h q u a k ed a m a g e st oh i g h w a yb r i d g e sa r er e v i e w e d t oe v a l u a t et h es e i s m i c r e s i s t a n c eo fh i g h w a yb r i d g e ，t h ep r o b a b i l i t ya n d d e g r e e o fd e f o r m a t i o na n d s t r u c t u r a l s t r e n g t hd a m a g ec a u s e db ye a r t h q u a k ea r es p e c i f i c a l l y a n a l y z e d ，w h a t l s m o r e ，t h ee v a l u a t i o np r o c e d u r ei sg i v e n i nt h ee n d ，b a s i n go nt h er e s p o n s es p e c t r u m m e t h o d ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fas e i s m i cc a p a c i t yo fa r c hb r i d g ea r ei n t r o d u c e d a n dt h es e i s m i cp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t h ed a x i b r i d g ei sg i v e n k e yw o r d s ：m c hb r i d g e ；a r c hb u i l d i n go ne x t r a d o s ；m e t h o do fr e i n f o r c e m e n t a n d r e d u c i n gl o a d ；t r a n s f o r m i n ga n d s t r e n g h e n i n g ； k 一 - 、_ _ 一 华中科技大学硕士学位论文 l 绪言 拱桥是最具我国民族特色的一种桥型，我国在2 0 世纪5 0 、6 0 甚至7 0 年代 建设了大量拱桥，至今已经运营了3 0 4 0 年，有些桥梁已不能适应当今经济快 速发展的需要，急需进行维修加固。 下面主要以双曲拱娇为例具体说明我国拱桥加固改造的迫切性。 1 1 拱桥加固改造的迫切性 综合各地双曲拱桥运营后出现的主要问题不外四个方面：一是荷载标准 低。( 一般为汽一1 3 、拖6 0 级；1 9 7 4 年以后又改为汽一1 5 、挂一8 0 级) 二是 桥宽不足，( 按旧桥梁设计规范，1 9 6 1 年规定：一般为净一6o m ，1 9 7 4 年以后 执行一7o r e ) 三是结构整体稳定性差，病害多。( 组合拱圈各部位裂缝、变位超 限) 四是处于软基础上的下部墩、台常产生不均匀沉陷和水平位移、转动，由 此而引起上部结构的破坏( 这个问题同其它型式桥梁的基础变位一样，实质是 设计或施工质量问题，严格来说，不能算成双曲拱桥结构本身的缺陷) 。 据双曲拱桥最多的江苏省统计，在全部双曲拱桥中，设计荷载在汽一1 3 级 以下的占9 7 2 ，9 8 5 的桥宽在7 米以下。广东省交通厅、省公路局目前经 全面普查检测后发现，在全省一万八千多座桥梁中，有4 2 4 4 座桥梁出现承载力 不足现象。但出现承载力不足，并不等于该桥就是危桥。为期近四十天检测的 结果显示，全省接近危桥的四类桥梁中，在国道有6 座，省道有o 座，县乡 公路则达3 4 7 座。 湖北省公路局统计：全省己建成的3 5 7 座双曲拱桥中，8 5 存在各种病害， 其中病害严重己危及行车安全的有2 7 座，占7 6 。黑龙江省的双曲拱桥的病 害更严重些。据齐齐哈尔地区1 9 9 0 年统计。在2 0 0 18 公里长双曲拱桥为1 9 座， 3 6 7 7 延米，座数占3 33 的县级公路上，共有大、中型桥梁5 7 座，桥长6 l1 23 延米，桥长占4 4 ，设计荷载均为汽一1 3 、拖一6 0 和汽一1 5 、挂一8 0 级l 其 中至少有2 27 6 的桥梁破损严重，实际承载能力己达不到设计际准) ；_ f 乔宽均为 净一6 m 或净一7 m 。1 9 座双曲拱型桥梁中按养护技术状况标准评定：一类桥3 华中科技大学硕士学位论文 座，二类桥2 座，四类桥2 座。在已经危及交通安全、勉强维芽通车巨j5 座三、 四类险桥中，双曲拱桥占8 0 ， 据不完全统计口i ，截至1 9 9 8 年底，全国共有公路桥梁2 1 0 8 2 2 座，其中危桥 4 1 0 5 座，而且位于国、省道上的临时性桥梁和危侨数目分别达到4 0 5 变和1 2 5 3 座，占临时生桥梁和危桥总数的1 3 和3 1 。 事实上，西方国家近年来也己放慢了建设新桥梁的步伐，而旖主要精力放在 现有桥梁的维护和保养上。从我国经济发展的总体考虑，通过对旧桥如固、改 造和利用，是维护公路交通正常运营的积极措施，任务虽然艰巨，但其意义和 影响是深远的。目前对旧桥进行安全性评估分析及加固改造己经成为我国公路 界急待解决的问题。全国各省均先后开展了这类问题的研究； 1 2 本文的主要工作与创新 第一、总结了现有的桥梁的一般病害和加固改造方法： 第二、系统的提出变拱式拱上建筑为梁拱式拱上建筑的拱桥改造加固新方法 一拱背加固减载法，分析了此种加固方法的机理，特点并给生_ 立用实列。再将 此方法与其余常用的方法加以比较，以说明此方法的优越性， 第三、对于按照拱背加固减载法改造后的拱侨，针对传统的计算方法不能满 足主拱圈内力校孩的特点，创造性地提出了改造后主拱圈截面可根据钢筋混；疑 土适筋梁构件汁算的观点，并给出了判断适筋粱构件的一般准则。指出规范规 定的最小配筋率的局限性后，又给出了根据有限单元法推导组合截面的精确最 小配筋率的求算步骤。然后，在充分考虑主拱圈最小配筋和截面几何特性基础 上给出了适用强度验算方法和具体工程算例，以说明本方法的可行性和合理性。 第四、对于加固改造后拱桥与普通拱桥设计不同特点，运用商：r 元软件 a n s y s 给出了空间建模的一般步骤和注意事项，并用换算刚度法对恒型进行了 简化分昕。针对大溪桥的工程实例进行了静力及动力汁弹分昕并给出了计算 结果，再将内力计算结果与前面结果比较，以说明上叙适朋，j ；圭是可7 言的， 笫- 7 、针对旧桥中普遍存在的抗震致汁欠缺的情况，本文提出j 戋矫抗震安 2 华中科技大学硕士学位论文 全性评价分析方法、原则和具体步骤。推导了基于桥梁抗震反应谱理论上的地 震力的计算公式，并根据以上原则并对大溪桥进行了抗震验算，表明了用拱桥 加固减载法加固后的拱桥的可靠性。 华中科技大学硕士学位论文 2 拱桥典型病害及维修加固方法 前文已经指出我国旧危桥中，拱桥占绝大多数，下面对拱桥常见病害进行分 析讨论。 2 1 拱桥典型病害 拱桥典型病害按出现位置划分主要为以下几个方面9 i t 4 】【5 2 1 1 桥面病害 对拱桥的破损状况、原因及存在的安全遗患进行分析，最直观地可见许多桥 梁栏杆断裂、残缺；桥面裂缝纵横或成网状发展，有的甚至表层剥落、下陷。 栏杆的损坏多是由于交通事故造成的：部分是因为桥梁净宽窄，车辆交会不顺 或与之连接的道路线形较差，运载过长货物的车辆在桥上行驶不慎而造成的， 栏杆的损坏虽然不妨碍交通，但破坏了桥容，缺少了过桥安全感。造成桥面破 损的主要原因是铺装层无钢筋，混凝土强度低，表层磨损、腐蚀、老化，有的 因为随拱上填料受压而下沉，或排水不畅，填料内积累大量水分而膨胀，亦有 的是由于腹拱板断裂、主拱圈的破坏而引起矫面随之变形破损，在坑洼不平的 桥面上行驶，轻则有颠簸感，重则产生跳车，以至于不得不低速驾驶。 在桥面与引道路面衔接处，由于路面沉陷或引道纵坡与桥面纵坡不一致，使 得衔接处不平整、有起伏，亦会产生跳车，且跳车又导致腹拱和主拱圈严重振 动，加剧构件疲劳，影响桥梁的整体使用寿命，腹拱大多为圆弧形混凝土预制 板装配丽成，腹拱扳少筋或无筋，大多制作粗糙，混凝土强度低，在车辆的碾 压和振动大都会产生裂缝，日久一旦断裂，则桥面突然产生坑洞，极有可能造 成严重的安全事故。以上均是侨梁局部构件的损坏现象，而危及桥梁整体垮塌 的往往足主拱圈的破坏。 ， 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 主拱圈病害 以双曲拱桥为例，主拱圈通常是由拱肋、拱波、拱板及横联组成，拱肋是双 曲拱桥的主要承重结构，通常由混；疑土或钢筋混：疑土分段制成后再拼装而成， 它不仅参与主拱圈共同承受全部叵载和活载，而且在砌筑拱波和浇筑拱板的过 程中旌工起支架作用，拱波及拱板在加强主拱圈整体性能方面起重要作用，拱 波一般用混凝土预制，常起圆弧形，它不仅参与主拱圈共同承受荷载，而在浇 筑拱板砼时起模板作用。拱板由混凝土现浇，将拱肋、拱波连成整体，使拱圈 能“集零为整”。联成整体结构，横联是横向联结拱肋的系梁或隔板，通常布置 在拱顶，腹拱墩以及分段吊装的拱肋接头处。 2 1 2 1 拱肋强度不足而引起承载能力的降低 拱肋是拱桥主拱圈的重要组成部分，它与拱圈共同承受全部恒载和活载是主 要受力构件。因此，当其抗弯强度和刚度不足时，往往使承载能力降低，同时也会 引起其它构件的损坏。 2 1 2 2 横向联系不足而引起结构失稳 双曲拱桥拱肋之间设置横向联系梁是很重要的，横向联系可以使单片的拱肋 在横向联成整体，形成一个拱形框架，从而大大加强了拱肋的横向刚度保证了拱 肋的横向稳定性当横向联系布置不够或强度不足而产生损坏时，将会使拱桥横 向稳定性降低，拱波出现纵向裂缝等病害。如浙江省余杭市三墩镇的东蒋桥位于 镇居民区内，交通十分繁忙，日积月累，横联在与拱肋的连接处产生裂缝，使 得相邻拱肋沿桥横向变形不协调，造成全桥桥面纵向开裂，若用力推摇栏杆， 亦能感到桥梁颤动。 2 1 2 3 墩台位移而引起破坏 拱桥由于自重较大，其相应的水平推力比较大，当设计、施工不当或地基承载 力不足时，往往容易引起墩台的较大位移和沉降。若墩台相对移位，则拱脚亦随 之位移，主拱跨中剪力、弯矩增大，拱脚负弯矩产生，造成跨中下缘、拱脚上 缘开裂甚至会使拱肋与拱波分离。而当两拱脚相对拉开，则主拱矢跨比减小( 拱 变坦) ，会引起拱肋轴压力增大，拱对墩台的推力亦相应增大，进一步使墩台相 对平移，更加剧主拱圈的破坏。导致拱圈下沉、开裂，拱肋与拱波分离，侧墙与拱 肋分离，空腹小拱开裂或立柱严重裂缝等损坏现象。 华中科技大学硕士学位论文 通过对主拱圈的破坏分析，我们可以发现墩台的稳定和牢固对于桥梁的结构 安全起着至关重要的作用。但过去不大重视较差地质情况的处理以适应拱桥的 特殊受力特点( 墩台自重较大，主拱对桥台相应的水平推力很大) 。在河网地区， 若软基处理不当，则会引起严重后果。如桥台后方填土控制不严，会使桥台向 后滑移；地基承载力不够，基础会下沉、倾斜；再若沿桥横向地基土压缩性有 差异，则墩台会产生不均匀沉降，引起桥拱竖向开裂。 另外还有一些其它因素会影响主拱圈的耐久陡，如温度的骤变、混凝土的徐 变等都会引起拱圈开裂。 2 2 病桥处理意见及维修加固方法 2 2 1 病桥处理意见 交通安全关系着社会稳定和经济发展，因此加强对旧桥进行管理、维修与加 固就愈加重要。有关主管部门要在旧桥两端设置警告标志，特别是对于交通繁 忙，常有重件运输的公路上的某些侨梁，更应 殳置限制轴重际志，以告戒过往 车辆注意。管理人员要经常性地检查、养护，一旦发现损伤，就要及时进行维 修，小坏小修，随坏随修，以防止损坏的进一步扩大，确保构造物的安全与完 整，保征桥梁的适用性和耐久性。 对待破损的旧桥，要检查其破损隋况，收集原始基本资料，对侨梁进行静载 试验，对其结构的完好程度、材料的老化程度和强度的降低程度进行评价，对 桥梁承载能力加以鉴定，并作出相应处理【6 i ： ( 1 ) 对那些破损严重，已不能正常发挥作用，修复难度很大的桥梁，应拆 除改建； ( 2 ) 对在公路路线的维修改建中，没有随同路面一起扩宽改建的桥梁，并 形成交通“瓶颈”的，应加宽、加固或者拆除改建： ( 3 ) 对当仞为了一味追求与河道正交，以减少跨径、节约投资而造成路线 线形较蔗，既影响通过能力，又影响行车安全的_ 舞梁，最好改线噩建。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 对有些桥梁补强加固后，可延长使用年限、提高承载能力并且比新建 桥梁有更好经济效益的，应充分利用，进行维修加固。 2 2 2 维修加固原则 以过去的工程实例而言，选择加固的方法可以依下列原则参考 h 1 8 l ： ( 1 ) 维修加固是借助加大或修复桥梁构件来提高局部或整座桥梁承载能力 的措施，因而桥梁加固工作一般以不更改原结构形式为原则。若以补强加固的 方式仍不能达到交通运输的需要，则必须考虑进行重建桥梁的部分或全部。 ( 2 ) 选择桥梁加固的方式时，须视旧桥现况、承载能力之减弱程度以及日后 之运输任务丽定，并参考己应用的工程实例。 ( 3 ) 不管采用何种加固方案，桥梁加固方法的选择是一项综合评估、系统分 析、兼顾经济的问题，不能单纯从加固技术方面考虑。 2 2 3 维修加固方法 2 2 3 1 粘贴钢板加固拱肋【9 l ( 1 ) 实用情况拱肋径向裂缝丽害严重，主袭圈整体受力 生能不足，导致承载 能力降低 ( 2 ) 工程实例：山东省道济鱼线王堰桥修建子1 9 7 6 年，5 1 5 m 钢筋混凝空 腹式双曲拱，拱肋径向裂缝严重，于1 9 9 7 年对该桥采用粘贴钢板法加固拱肋首 先清理整洁拱顶左右各4 m 范围内抉肋表面，打凿混凝土表面露出骨斟接待粘贴 钢板上的预留孑l 位钻孔，孔深不小于8cm ，用压缩空气将粉尘清净，插入胀栓，在 打毛面用环氧树脂砂浆涂抹，将钢板粘贴面去污喷砂打磨后涂一层环氧树脂，待 环氧树脂初凝前贴上钢板并拧紧胀栓，粘贴钢板长8 m ，宽2 5 0 m m 加固以来该 桥运营情况良好。 2 2 3 2 扩大受力截面尺寸加固【l o l ( 1 ) 适用情况：主要受力构件( 拱肋、拱角等j 截面尺寸偏小，受力哇能不足 l 2 ) 工程实例山东省3 2 7 国道舾河大侨修建予1 9 6 6 年5 一3 0 1 1 1 7 l5 m 空 腹式钢筋混：疑土双曲拱桥，7 膀6 波拱圈截面荷载试验表明拱脚截面薄弱，不 7 华中科技大学硕士学位论文 能满足汽车一2 0 级、挂车1 0 0 级的使用要求，拟妥用钢筋混凝土增大截面法加固 拱挪附近截面，范围为拱座至第一道拱上立墙，喜先对需加大截面尺寸的部位进 行清理凿毛，在拱背上的拱肋处增设锚固受力钢蓊并在拱板上增设钢筋网，然舌 按设计要求的厚度现浇混凝土。 2 2 3 3 改善拱肋间横系梁加固 ( 1 ) 适用情沅：潢向联系薄弱引起拱肋变形安波纵向裂缝发晨迅速，使挢桑 整体受力性能下降。 ( 2 ) 工程实例：以3 2 7 国道田家村大桥加固工琶为例，原横向联系为钢筋拉轩， 锈蚀严重，基本失去作用，决定主桥增设5 道横粱引桥增设3 根横隔梁采用预制 安装法施工先在设计要求的安装横系粱的拱髓写拱波的结合处钴2 个通孔灌? 纵向1 8cm 范围内凿毛拱肋两侧面混凝土至骨譬露出，清除松散混凝土碎屑、粉 尘，涂抹环氧树脂砂浆，待砂浆初凝前贴上己处爰好两侧的钢板，并用专用工具哭 紧至环氧树脂砂浆完全固化，然后穿上螺栓并疋芝结板坡口施焊，再安装预制磺 粱，端口与粘结的钢板采用坡口焊接，最后用水泥砂浆封闭钢联结构件。 2 234 整体改变结构体系f 1 1 i ( 1 ) 适用情况：桥梁墩台基础受力性能完好，至主拱圈、拱上建筑等桥梁上部 结构病害严重，可以考虑改变桥梁结构受力体系兰行维修加固。 ( 二) 工程实例山东省道蒙馆线袁口桥修建亍i 9 7 3 年，4 l l m 空腹式钢筋j 昆 凝土双曲拱桥，桥宽7 m ，重力式桥台，灌注桩基配哥桩承台，该侨下部受力结 j + 分稳固1 9 9 8 年对该桥进行了加固改造，全部拆豫上部结构，接长立仨，改造为4 1 2 m 钢筋混凝土空心扳梁桥，成功实现了，桥梁受，勺结构体系的转复，取蒋了艰导 的加固改造效果。 浙汪省t 0 4 国道沆州一父子岭段二级公路靛娇梁技术改造。原路线技术状况 只相当于现行三、四级公路的桥梁技术标准，拟表造为二级路，芷 基拓宽为15 m ， 桥梁要求一次达到汽一2 0 级、挂一1 0 0 级重跛舔；隹。跨径4 0 m 的新港双曲拱 弄， 也是采喟改变结构体系方法，利用原有双曲拱毋的主拱圈，拆除原有双曲拱矫 的拱上建筑，改交为剐架拱体系，并在旧桥两翱以刚架拱拼宽，最后聘新、旧 杯分瞬面联成整体，达到j 加宽、靠翻，提高季我力的目的。 2 2 3 5 顶推法调整拱脚水平位移 华中科技大学硕士学位论文 ci ) 适用情况：由于地基软弱，桥台产生位移与沉降，导致主拱圈变形，可采 用顶箍法进行加固。 ( 2 ) 工程实例山东省国道东丰线惠河桥为单孔5 04 m 双曲拱桥，矢跨比1 9 ， 拱线为悬链线形，拱肋为钢筋混凝士矩形截面，由三段拼装而成，组合式桥台，桥台 基底为软塑粘性土。1 9 9 1 年竣工通车，不久即出现拱顶下沉( 北捌2 93cm 、南 侧2 4 3cm ，平均下沉2 68cm ) ，拱肋跨中处不同程度裂缝，桥台不均匀沉降( 北 侧32cm 、南侧0 1cm ，平均沉降i6 5cm ) 等腐害，通过全面的质量认定该桥 病害是由于桥台水平位移过大引起，验算结果亦表明桥台台背填土及钻孔桩提 供的水平抗力不足，使桥台过量位移。采用顶管加固技术增加桥台水平抗力在桥 台两铡设置长3 0cm 、外径2 m 的钢筋混凝土空t l , 顶管，以浆砌片石填充管芯 在管侧及与桥台接触面处压浆封固，其加固效果从该桥的顶推加固及顶推后的 荷载试验中得到证实，采用项推法整治拱脚位移，调整主拱圈结构内力，抬高拱顶 标高，藏工中首先在位移变化较大一侧拱脚处浇筑顶推梁，设置4 台1 0 0t ，6 台 2 0 0t 的千斤顶施顶，历时7h ，顶推达到预定的技术数值后采用高强混凝土封固 拱脚，经过近9 年来的运营，目前该桥的技术状况良好。 2 3 本章结语 实践证明i l “，采用适当的加固技术和扩宽措施，对恢复和提高旧桥的承载 能力窝通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交通运输的需要，是可 行的：这样一能节省大量投资，收到良好的社会效益，特别对贫困省份来说， 尤为重要；二是通过维修和改造旧危桥，是消除交通隐患，提高公路通行能力 和服务水平的有效途径，也是检验公路部门管理养护水平的重要标准。 息之，桥梁的维修加固是一项深入细致的、有较大技术难度的工作【l ”。我 们要提高对既有桥梁的加固与改造必要性的认识，这也是对周有设施要挖掘、 利用、改造方针在公路交通方面的主要体现。那些具有一定缺陷危及交通安全 和公路通过能力的大中型双曲拱桥桥梁，已经过2 0 3 0 年的运营考验，其中绝 大多数是可以维修加固的，许多还可以通过技术改造提高技术标准，达到与新 建桥娶同样的使用效果。那种认为拱桥整体监差，承载力偏低，安全保证不可 华中科技大学硕士学位论文 靠等的片面观点，不完全符合事实。加固时往往牵涉道新【e f ：j 件的舞台，新老 基础的连接及沉降影啊等复杂! 习题，因而要经过反复科学试验和实践沦证，并 在加固后定时进仁检查，对维咨加固后的效果加以评定。而对于邵些丑于种种 原因而未能进行维修、加固或拆除的破损l 旨轿，一定要对其过往车辆严加限载 控制，以确保安全， 一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 拱桥改造加固新途径 3 1 加固新方法的提出 早期建造的拱桥，多采用拱式拱上建筑( 图31 a ) 。由于荷载标准的提高、 交通量的增大，有不少的拱桥需要加强，提高轿梁的承载能力。 桥梁加固的方法大致可分为加大截面尺寸法、减少内力法、改变结构传力 途径加固法和预应力加固法等。拱桥的加固一般是通过拱圈的加固来实现，较常 见的方法有在拱圈上增设附拱圈、外包钢加固法、拱肋截面扩大法和目前我国 正在开展的碳纤维( c f i 啦) 加固法。 具有拱式拱上建筑的拱桥，由于实腹段的存在，不便于从上部加强拱圈， 故多采用从拱圈下部( 拱腹) 来加强拱圈的方法。这种从下部来加强拱圈的方 法，需要增大桥梁的自重，且不便于施工。 本文介绍从拱圈上部( 拱背) 加强拱圈的方法【“】。即通过拆除拱式拱上建筑 中的传力结构( 拱上填料、侧墙、护拱) ，使主拱和腹拱的拱背完全暴露，再在 主拱圈的拱背上，根据需要浇筑钢筋混凝土或混凝土，使主拱圈成为变截面的 组合截面拱。然后接高立柱( 腹拱墩) ，按梁板式拱上建筑的程序施工。由于拱 上建筑既有梁又有拱，故称为梁拱式拱上建筑。这种加固方法主要是减轻了上部 构造重力且又在拱背上添加钢筋混凝土或混凝土以加强拱圈，因而称为拱背加 固减载法【l ”。因此法是在拱背上操作，施工比较方便，质量较好，造价也较低， 是一种较好的加固方法。这种新方法是由华中科技大学倡导，并成功运用于湖北 省三峡库区3 号桥和福建省永安市大溪桥。 华中科技大学石页士学位论文 3 2 工程实例 3 2 1 湖北省三峡库区3 号桥 湖北省三峡库区3 号桥为等截面悬链线石拱桥，净跨l o = 4 0 m ，矢高f o = s n v 拱 轴系数m = 28 1 4 。该桥自1 9 9 7 年5 月开工，1 9 9 8 年4 月完工后，发现南岸下游拱 脚处拱圈下滑9 c r a , 拱圈开裂，桥台出现平行于拱圈的裂缝，拱座石局部压碎。产 生以上现象的主要原因是桥台圬工砌体质量差、空洞多，砂浆不饱满，石料标号低 桥梁为坡拱桥，恒载为不对称荷载，拱圈在施工时出现了不同程度的下沉，实际拱 轴线与设计拱轴线偏离较大。桥梁在加固时主要采取了以下措施8 】： ( 1 ) 用灌浆法加固桥台： ( 2 ) 在拱背加厚原拱圈，调整拱圈厚度，使实际拱轴线接近设计拱轴线； ( 3 ) 减轻恒载重量拆除拱上建筑中的测墙、拱上填料，增离和增加横墙横 墙上没置钢筋混凝土板，变拱式拱上建筑为梁拱式拱上建筑。经采取上述加固措 施后，通车至今，质量状况良好。 3 2 2 福建省永安市大溪桥 福建省永安市大溪桥为2 0 世纪7 0 年代初期所建9 孔不等跨双曲拱桥( 8 孔 净跨2 0 m 加1 孔i 争跨2 2 7 m ) 。主拱圈均为等截面悬链线无铰拱，拱轴系数m = 35 ， 净矢跨比f o o = 1 6 。双曲拱为旱期的截面型式：钢筋混凝土矩形拱肋( i i 级钢筋) ， 混凝土填平式拱扳。经检测，该矫的肋、波、板混凝土质量较好，仅有少数的 拱波在麓工时断裂，少数拱肋面部损坏，未发现超过容许宽度的受力裂缝l ”l 。 设计资料为： 1 ) 设计荷载：原设计荷载为：早年的汽一1 3 、拖6 0 ， 现设计荷载为：汽车一2 0 级，挂车1 0 0 ，人群35 k n m 2 2 ) 侨型：桥面净空4 x 35 - ：2 x 2 + 1 2 m ( 绿化带) 净跨径l o = 2 0 m 净拱度f , j l u = i 6 华中科技大学硕士学位论文 净矢高：f o = 33 3 3 m 拱轴系数m = 35 3 ) 主要材料： 拱顶混凝土厚度3 0 5 0 c m 主拱圈( x x 曲拱) 少筋混凝土 拱肋2 5 号混凝土 容重y l = 2 5 k n m 3 , 弹性模量e l = 28 5 1 0 4 m p a 抗压极限强度r ：= 1 7 5 m p a 拱波l o 号砂浆砌2 0 号混凝土 容重y2 = 2 4 k n m 3 弹性模量e ，= 8 0 0 r + ，= 5 1 m p , 4 4 0 3a 抗压极限强度r ：，= 6 8 m p a 拱板1 5 号现浇混凝土 容重y3 宅4 k n ，m 3 ，e 3 = 3 1 0 4 m p a 抗压极限强度r ：? = i o 5 m p a 主墙腹拱：5 号砂浆砌块石，容重y4 = 2 3 k n m 3 ， 护拱8 号砂浆砌片石 容重y 3 = 2 3 k 。n m 3 ，抗压极限强度r ：s = 5 8 m p a 拱上填料( 曲边三角形部分) 容重y4 = 2 2 k n m 3 ， 立柱2 0 号片石混凝土砌体容重y2 = 2 4 k n m 3 ， 本桥采用拱式拱上建筑( 图3l a ) 。腹拱为圆弧拱，净矢跨比为i 4 ，腹拱圈 和腹拱墩均采用圬工砌体，质量较好。 桥梁下部结构采用重力式墩台，均为1 5 号混凝土，质量完好。但侨面损坏 比较严重，有较多的网状裂缝。栏杆和人行道损坏均较严重。 由于交通事业的发展，使得该桥长期处于超载使用状态。要求在下游建新 桥的同时，要将本桥的荷载等级提高到汽车- - 2 0 级、挂车一1 0 0 ，需要进行改 造加固。经比较，选用了从拱背上加强拱圈的新方法，变拱式拱上建筑为梁拱 式拱上建筑的新方案。现以净跨2 0 m 的拱桥为例，介绍这种加固方法的施工程 华中科技大学硕士学位论文 序。 ： e e o ， 4 ) 钢筋应力应变关系采用： 旷氍曩：。， ：， 为了便于分析组合截面最小配筋量的计算，这里先分析矩形截面宝于配有 最小配筋量的钢筋混：疑土构件，其正截面承载力mu 不应小于截面开裂弯矩m t g 即m 。m f 的原则来确定矩形截面纵向受力钢筋的最小配筋量，其计算图式如图 4 1 所示： 图41 矩形截面纵向受拉钢筋最小配筋率计算式 上图41 中，b 、h 分别为矩形截面的宽度和高度，b 0 为截面的有效高度， 为沿正截面破坏瞬i 日g 7 1 1 凝土抗拉强度，钢筋面积和抗拉强度分别为j 紫k ， x c 为截面受压区高度，oo 为受压区混凝土最大应力值。则混凝土截面的正截面 承载力为： f 。：j ：a 。 2 ( 詈) 一( 三) ： b d y + f 口。b d y ( 43 ) m 。= r 口：f 2 ( 三) 一( 云) 2 l b h 。一( x c y ) l d y + c 。u b h 。一( x c y ) l d 5 7 ( 4 4 ) 由图41 有如下关系： o = ( x 。一x ) ( x 。o 。) ( 45 ) m i = b h 2 r l 6 ( 46 ) m = m ， 47 ) 2 1 华中科技大学硕士季位j 2 文 已知0 2 00 0 2 ，荠令。u = o0 0 3 ，i 1 0 2 09 h ，芝代入r 二3 ) 瓤l 44 ，i 著得t 48 ) 式如下 5 1 8 x ：一0 t x 。r l ( 6 ( r o ) = 0( 4i 且有 g o = o8 5 ：r ：07 = 1 0 3 2 r ： 蛋f c _ a g r - - 。a 扣h 得最小配筋率如下： “m m = 7 9 s 。x 。b 限g b h ) = o8 0 2 8 x ；r ：( r j ) “； f 4 ： 由( 4 1 0 ) 式可得：分别采用i 、i i 级钢筋，c 1 5 、c 2 0 、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 ，所得 矩形截面纵向受拉钢筋最小配筋率如下表， 表4 1 矩形截面纵底受拉钢筋最二、配筋率 i 计算所每最小匠封率 “公路桥规，爱暑最小配筋率 卜m 轴心抗压际准 抗拉设计强 l 吕 强度r ：( m p a ) 度瓤m p a ) ：级钢筋u 瑷钢筋i 级锅筋丁级钢箭( ， )、】lo 毛) c 1 51 0510 500 9 3o0 5 80 1 5 0 1 0 c 2 01 4l301 1 6j0 7 1oi5o1 0 c 2 51 75l5 j0 1 3 900 8 50 二00 1 j c 3 02 ll7 50 1 5 600 9 60 二00 1 5 c 4 02 82i j0 1 9 10 1 1 802 0t 】、1 5 注：i i 级钢筋采用r g = 3 4 0 m p a ，i 级钢药采用咫= 2 1 0 m p a 由上述计算可见，公路桥规、j 给三为最0 、配筋要对于矩形善j 总唪而言 趋于保守， 华中科技大学硕士学位论文 4 3 任意截面最小配筋率计算 图4 2 组合截面纵向受拉钢筋最小配筋率计算图式 如图42 所示，将截面分成n 个梯形单元，每个梯形单元中的各材料均按弹 性模量比转化为同种混凝土材料，第i 个梯形单元的上、下底宽度、高度分别 为b l ( i ) 、b 2 ( i ) 、h l ( i ) ，各单元的轴心抗压强度标准强度、抗拉设计强度分 别为6 ( j ) ，r i ( i ) ，单元截面混凝土弹性模量依次为e 。( i ) ，截面下底到受压 边缘的距离为h c ( i ) = y h i ( i ) ，设已配受拉钢筋层数为m - i ，第一层为需新配钢筋 面积a s ( 1 ) ，第j 层为已配钢筋面积a g ( j ) ，距混凝土受拉边缘的距离为h o ( j ) 。 钢筋的设计标准强度为k ( j ) ，弹陛模量e 。( j ) ，这里只考虑添加钢筋为一排的 情；兄。 4 3 1 素混凝土截面开裂惯性矩 第i 个混凝土单元面面积为s l ( i ) ，其重心距该梯形单元下底边为y c ( i ) 即可 求得按抗拉强度截面中性轴距受拉边缘位置为： n e h ( i ) s l ( i ) 【h c ( i ) 一y c 【i ) 】 “ s t ( i ) eh ( i ) 、。 此梯形对应组合截面第k 个单元，以此截面为标准，第i 个单元对自身重心 的惯性矩为： 华中科技大学硕士学位论文 i x ( i ) ：咀堂生! 些坚堕：型豳曼艘 f 41 2 1 3 6 b 1 ( i ) + b 2 ( i ) ) e 。( k ) 7 组合截面总磺生矩为 s i ( i ) h c ( i ) 一y c ( i ) 一h 1 。e h 【1 1 、 e h ( k ) 4 3 2 素混凝土开裂弯矩计算 ( 4 13 ) 因各单元材料的抗拉强度、弹性模量距中性轴的距离都不一致，因而各截 砸并不同时开裂，只要有一单元开裂，则认为组合截面破坏。p r r i = e o k y u ) 为 最小的截面首先开裂，即 p m i = m i n c r 。( i ) e h ( i ) h c ( i ) 一y 。】) ( 41 4 ) 则截面开裂时第n 层混凝土边缘拉应力为 a = m h c ( n ) 一y 。 1 a = p m i eh ( n ) h c ( n ) 一y 。】 由( 4l5 ) 及( 41 6 ) 联立则得开裂弯矩为 m t = ip m ie h ( n ) 4 3 3 混凝土所受力和力矩 ( 4 15 ) t 41 6 ) ( 4 1 7 ) 令组合截面混凝土受压区高度为k ，距受压边缘为x 处所处单元号为n u ( x ) 与上矩形截面最小配筋率中( 49 j 式相似，抗压强度为：吼f x