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1、 双曲拱桥碳纤维加固摘要双曲拱桥加固方法众多，但是结合拱的一个重要特征一变截面拱的受力特性一进行的加固方案未为所见。当主拱肋或主拱圈在加固以后成为变截面，变截面的形成使得拱结构受力特性发生变化。研究并利用变截面拱的特性对拱桥进行加固，是本课题的主要研究内容。通过理论分析与实际工程结合，本文研究得出以 F 结论：1变截面拱的弯矩在很大程度上取决于拱截面的惯性矩 I 的变化规律。在惯性矩自拱顶向拱脚逐渐增大的无铰拱，随着截面惯性矩的增大，截面的弯矩也增大。在加固过程中采用增大拱脚惯性矩，会使得拱结构的受力重新分配：拱脚的弯矩因拱脚的惯性矩的相对增大而增大：拱顶的弯矩因拱顶的惯性矩的相对减小而减小。
2、相当于将拱顶的荷载卸载到了拱脚。据此，提出钢板碳纤维组合加固双曲拱桥。2使用钢板碳纤维组合加固双曲拱桥，对拱顶存在病害的拱桥，可以直接减轻拱顶的负担：使用钢板碳纤维组合加固双曲拱桥，结合了两种加固方案的施工特点。同时文中研究讨论了以下几个问题：I提出并讨论了实菔段采用板单元，建立利用板单元模拟实腹段的自重及联合作用的拱桥模型。讨论了实腹段板单元与主拱圈粱单元的连接问题，得出了实腹段与主拱圈连接模型在不释放板单元梁端弯矩下也可以得出合理计算结果的结论；2探讨了主拱圈的截面换算的方法，明确了利用模量进行截面换算是较为贴切计算方法；3提出了手算拱轴系数过程中，实腹段在计算其对 L4和拱脚的弯矩时，应
3、在 L4处将实腹段分为两个不同的部分进行计算的计算方法。第1章绪论11引言双曲拱桥是1964年江苏省无锡县建桥职工创建的一种新桥型 。这种桥型在结构上继承了砖石结构的优良传统，吸收了现代装配式钢筋混凝土桥的优点，在外观上具有民族特色。双曲拱桥由主拱圈和拱上建筑组成。主拱圈由拱肋、拱波、拱板和横向联系构件等几部分组成，其外形在纵横两个方面均呈弧形曲线，故称双曲拱桥。差拱圈在施工中，经历“化整为零”和“集零为整”两个阶段。化整为零，就是将主拱圈分成拱肋、拱波、拱板三部分，分别施工，并使先安装的构件起到安装或浇筑下的一道工序的支架模板作用。施工中，先把分段预制的钢筋混凝土拱肋合拢，与横向联系组成拱形
4、框架，在拱肋上浇混凝土或砌砖石成拱波，然后在拱波上浇混凝土拱板，形成主拱圈。因此，双曲拱桥的主拱圈为组合截面。拱波在横向做成弧形，既充分利用圬工材料的抗压性能，节省钢筋：又可加大截面刚度，节省圬工。拱板则起主要的组和作用。集零为整，就是由拱肋、拱波、拱板组成截面。这样的结构既发挥了预制装配的优点，可以无支架施工，节省本材，加快施工进度；又充分利用圬工材料的抗压强度，节省钢材，便于施工，深受欢迎，所以，在全国得到迅速推广。1。2双曲拱桥常见病窖、裂缝及分析121双曲拱桥发生较为严重的病害阳双曲拱桥常见的病害有：1墩台位移而引起破坏双曲拱桥由于自重较大，其相应的水平推力也较大，设计、施工不当时，往
5、往容易引起墩台的较大位移和沉降。由于位移和沉降较大，必将出现拱圈下沉、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。2拱肋强度不足而引起承载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，同时也会引起其他构件的损坏。3横向联系不足而引起失稳双曲拱桥拱肋中设置横向联系是很重要的。在集中荷载(车辆荷载)作用下，各片拱肋的变形就比较均匀。而且，随着横向联系的加强，各片拱肋间的变形更趋于一致。由于横向联系的设立，使单片的拱肋在横向成为整体，形成一个拱形框架，从而大大加强了拱肋的横向
6、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，拱波顶出现纵向裂缝。4拱上填料排水不畅等原因引起的侧墙鼓肚破坏双曲拱桥侧墙发生鼓肚，一般是由于排水不良，填士内聚集大量水分而造成膨胀，也可能是建筑质量不佳引起的。1。2，2双曲拱桥常发生的裂缝拱式桥的形式很多，但裂缝较多而又有代表性的，当数双曲拱桥。拱桥中有共性的裂缝，双曲拱桥基本上都有，而双曲拱桥中的有些裂缝其它拱桥却没有。1221 拱桥的径向曩缱拱桥径上裂缝经常发生在拱脚和拱顶两个部位，其方向与拱轴线垂直。拱脚附近的径向裂缝是由负弯矩引起的，上宽下窄，垂直于拱轴线向下延伸。当拱背布置有纵向钢筋
7、时，从拱脚截面上缘开始，可出现几条大致平行的裂缝。裂缝宽度最大的一条在拱脚向14 跨方向逐渐减少。如裂缝宽度超过 O25mm 时，应视为不正常裂缝。当拱背无钢筋时，裂缝的宽度往往较大，但缝数较少。拱项附近的径向裂缝是由正弯矩引起的。裂缝下宽上窄，沿竖赢方向向上延伸。裂缝宽度拱顶较大，向14 跨方向逐渐减小以至消失。这种裂缝还会引起拱项下沉。拱圈的径向裂缝是拱桥中最常见的裂缝。建造拱桥时，应提高质量，采取有效措施，避免产生裂缝。但在已建成的拱桥中，拱脚、拱顶出现了径向裂缝时，不要看得过于严重，只要拱脚、拱顶处的径向裂缝没有到达截面的中性轴，不会明显降低拱的承载能力，并无垮塌的危险，一般可以(或者
8、通过加固)继续利用。拱圈有径向裂缝，未经论证，不能作为拆除拱桥的理由。产生径向裂缝的主要原因：1截面整体性差在拱桥设计中，拱圈均按整体的组合截面计算。但为了便于施工，拱桥(如双曲拱桥、箱形拱桥等)又常采用预制装配、化整为零的施工方法，导致截面的整体性较差。实际截面几何特性(如截面的惯性矩等) 与采用组合截面计算的值有一定的差距，特别是运营之后，由于汽车荷载的反复作用，拱圈截面的整体性差的问题总是日渐突出。在拱桥设计中，经常是以拱脚截面负弯矩和拱顶截面正弯矩控制设计，如果截面整体性差了，而蘅载等级又不断地增大，拱圈必然产，超过允许宽度的径向裂缝。就是在整体性较好的板拱桥和肋拱桥中，拱顶、拱脚出现
9、径向裂缝也是比较普遍的事。2温度下降、混凝土收缩和墩台变位的影响温度下降、混凝土收缩和墩台变位(主要是水平位移)可使拱脚负弯矩和拱顶正弯矩迅速增大，经常是拱圈产生径向裂缝的重要原因。在设计施工中对上述因素的影响，应给予足够的重视，应当合理取值，低温合拢，并采用正确的旌工程序。桥台水平位移是拱桥产生裂缝、拱顶下沉的大敌，可使桥梁产生多种严重的病害，甚至造成破坏。在无铰拱桥中，建造一个稳固的桥台，经常是头等重要的问题。1222 拱翻的纵向裂缝拱圈宽度较大(8 10m 以上)的圬工拱桥和双曲拱桥中，常见拱圈出现纵向裂缝，这种裂缝通常在桥面中线附近顺跨径方向延伸，严重时有贯通全桥、将拱圈“一分为二”之
10、势。当拱圈宽度很大(20m)时，还可能出现第二条纵向裂缝。产生纵向裂缝的主要原因是：1拱圈截面的形式不够合理，截面不能适应热胀冷缩变化规律工程材料存在热胀冷缩的问题。因此达到一定长度后，就要考虑设置伸缩缝。例如，水泥混凝土路面一般46m 设道缝。在双曲拱桥中，当拱圈采用填平式拱板时，拱波顶部最容易出现纵向裂缝。在温度变化时，拱圈宽度方向需要膨胀和收缩，与水泥混凝土路面有相似之处，填平式拱板在横桥方向拱圈厚度变化较大拱波项部是最薄弱的截面，因为这种拱圈项面是平的，没有胀缩的余地，当温度下降和混凝土收缩的影响力超过拱波顶部混凝土的弯拉应力时，波顶就必然会出现纵向裂缝。如果双曲拱桥采用波形截面或折线
11、形截面，由于这两种截面在横桥方向成拱形，有类似连拱的性质，当温度变化时，可以通过波顶半径的微小变动，而改变拱圈的宽度，可避免在波顶产生纵向裂缝。2横向联系比较薄弱、荷载横向分布很不均匀在拱桥的设计中，一般不考虑荷载横向分布的影响，即认为荷载在横桥方向是均匀分布的。在双曲拱桥中，横向联系一般比较薄弱，荷载横向分布很不均匀，加之拱波在横桥向有连拱作用，造成波顶开裂，而以拱顶截面最为严重。桥越宽(热胀冷缩越突出) 、拱波的矢跨比越小( 连拱作用愈显著)、横向联系越弱，出现纵向裂缝的可能性越大。3拱蠲的砌筑质量在石拱桥中，拱圈的砌筑质量影响很大。早期的石拱桥，采用粗料石拱圈，很注意错缝咬合，且灰缝饱满
12、，拱圈纵向裂缝十分罕见。后期部分片石拱桥，不注意错缝咬合，砂浆(或小石子混凝土)含水量大，质量差，灰缝不饱满，使本来不应该出现纵向裂缝的拱圈，也产生了纵向裂缝。1223 拱肋与拱波结合面上的环向曩缝拱肋与拱波结合面上的环向裂缝，仅发生在双曲拱桥中。环向裂缝的最大宽度一般是在拱脚和拱顶，从拱脚和拱项向两14跨裂缝逐渐减小以至消失。不同部位的环向裂缝由不同的原因所形成。拱脚附近的环向裂缝主要是由肋、波之间的抗剪能力很弱、拱脚剪力较大所弓 l 起的，而拱顶附近的环向裂缝，则是由于拱肋受拉时产生了径向拉力，而肋波间抗拉能力很小所产生的。早期采用矩形拱肋的双曲拱桥，肋、波、板的结合面非常薄弱，特别是采用
13、无支架吊装施工时，在吊装过程中施工人员需要在拱肋上来回行走，使拱肋顶面不清洁甚至沾上了油污，结合面实际抗剪和抗拉的能力都很小，因而这个结合面上很容易出现环向裂缝。严重时拱肋与拱波完全脱开，使按组台截面计算的主拱圈变成了叠合截面，大大地降低了桥梁的承载能力，其后果比较严重。后期采用倒 T 形拱肋的双曲拱桥，肋、波、板结合较好，只要桥台无明显变位施工时又能保证质量，采用这种截面形式可以避免拱肋拱波之间出现环向裂缝。13双曲拱桥的常见维修加固方法 n 卜“副在“六五”和“七五”期间，关于旧桥加固改造技术的研究和应用课题，白列入交通部重点科研项目计划后，进过一系列试验研究和加固改造工程的实践，取得了可
14、喜的成果，积累了丰富的经验。双曲拱桥的维修加固，除对下部构造采取维修加固措施外，上部构造的维修加固主要是指对拱肋的加强、拱横向联系粱的加强以及上部结构填料的调整等工作：1粘贴钢板加固拱肋法为加强双曲拱桥拱肋强度，可以在拱肋表面清理整洁后，用环氧类砂浆粘贴钢板的方法来提高其承载能力。在拱圈产生裂缝或承载能力不足时，采用该法加固效果明显。粘贴钢板的位置主要置于拱肋截面下，可用成条接板(或分块焊接)在拱圈弧形范围内间隔粘结。钢板厚度宜用410mm，过厚时施工比较困难。为使钢板加固能够粘结牢靠，可分块粘结，然后再在钢板接头处焊接。2螺栓钢板结合加固拱肋法此方法与前述利用钢板加固拱肋的基本目的相同，但不
15、是单纯依靠粘结，而是除了利用胶粘剂外，再按一定间距凿孔并埋入螺栓，然后在钢板上预钻孔，对准预埋件位置穿入并以螺帽锚固。这种做法中拱肋凿孔比较费劲，埋置位置不易准确，因此，钢板钻孔要留有富余，如采用椭圆形或扩大孔径，可减少对位时的麻烦。3粘贴钢筋加固拱肋法鉴于粘贴钢板加固法存在加工、成型比较困难，有时粘附不够完善等问题，根据实际加固工作的需要，还可采用粘贴钢筋的加固方法。此法施工与前述基本相同，与钢板粘贴法相比，具有与结构物粘附性能好，加固成型容易，补强效果更为显著的特点。4，拱肋截恧扩大加固法此法是通过采用钢筋和混凝土外包原拱肋，从而达到扩大拱肋截面尺寸，增加拱肪断面的含筋率或变无筋拱肋为有钫
16、拱肋，提高拱肋的抗弯刚度的一种加固方法。其作用明确，效果显著，应用也较广。5，增设拱肋加固法在较大跨径的拱桥下新建一座跨径较小，矢高较大的拱肋，使拱肋的上弦与老拱桥连接在起，新桥台与老桥台连接在一起。此法可用于大跨径、桥台水平位移大的有肋或无肋双曲拱桥的加固，但要求主拱圈基本完好。采用这种加固法施工时，要求拱肋上弦钢筋和原拱肋或无肋拱波(凿除混凝土保护层露出钢筋 )用箍筋连在一起，现场浇注混凝土。新加拱肋与老拱圈形成整体后，可共同承受恒载和活载，从而提高了原桥的承载能力。6拱肋间横系粱加强法当横向联系较弱时，可采用加大原拱肋间横系梁截面，或在原横系梁边上另加一根横系粱，以加强拱肋抗扭刚度和横向整体性的方法进行加固。此法般可与前述拱肋截面扩大法一起考虑，同时进行，能取得较好的加固效果。7调整拱上自重、改变结构体系加固法当双曲拱桥由于自重或地基承载力不足
