双曲拱桥病害分析及加固技术研究

论文摘要

双曲拱桥是在我国60～80年代广泛修建的拱桥桥型,具有截面挖空率高,用材省,便于少支架,无支架施工等优点,但同时也存在整体性与耐久性差的问题,目前该桥型已基本淘汰,但大量使用中的双曲拱桥存在维护,加固与改造问题。本文以双曲拱桥为研究对象,论述了双曲拱桥的受力特性,分析双曲拱桥的常见病害及原因,介绍了几种常见的加固方法,并重点介绍了顶推加固法的计算评价,设计与施工,为双曲拱桥的设计与施工提供了参考。双曲拱桥是我国创造的拱桥桥型,第一次在拱圈截面上采用曲线形,打破了一千多年以来只是矩形的传统,上部构造的轻型化引起拱桥的下部构造的尺寸亦得以减少,地基承载力要求亦得以降低,双曲拱的出现使拱桥实现了无支架施工,并由此基础上发展了转体施工法、悬臂施工法。双曲拱桥具有拱桥构造的一般特性,比斜拉桥抗风性能好,用钢量少,无支架施工方便,充分利用了地基的竖向承载力和水平承载力。在受力上,双曲拱桥自重轻,拱脚处有水平推力,水平推力使结构在荷载作用下产生的弯距大大降低,也使对结构材料抗拉性能的要求大大降低;同时,双曲拱桥主拱圈横截面由数个小拱组成,在横向和纵向上均呈曲线型,其截面抵抗距比相同截面的实体板拱圈为大。在构造上,双曲拱桥存在主拱圈的可组合性与整体性之间的矛盾,拱波对桥横向强度要求的一致性和拱肋横向连接强度的不均匀性之间的矛盾。双曲拱桥在长期的运营过程中,由于环境因素、材料、荷载加重等原因,会产生各式各样的病害,’主要有由于双曲拱桥水平推力不足和稳定性差,使双曲拱桥产生桥台水平位移,直接导致了拱顶下沉,拱轴线变线,桥面积水的危害;在横载,活载作用下,由于双曲拱桥存在结构缺陷,双曲拱桥容易产生拱肋与拱波结合面处的环缝,波顶处的纵缝,拱肋的径向缝,拱脚截面,拱背径向缝;由于主拱圈变形,排水不畅,材料强度不足等问题,拱上建筑也容易损坏。针对这些病害,双曲拱桥常见的加固方法有不影响原结构的尺寸,技术含量高的粘贴钢板或加筋加固法;增大截面加固法,常见的包括增大拱肋截面,加厚拱板,拱波,增加拱圈整体性加固法;也可以采用调整横载加固法,通过调整双曲拱桥的恒载分布,也可以改变实际压力线的位置,使其与拱轴线吻合;或增设拱肋加固法,新肋可加在拱波波顶下缘,也可加在拱波连接处的下缘,即将无肋双曲拱桥变为有肋双曲拱:改变结构体系加固法,当拱上建筑损坏严重,在主拱圈质量有保证的情况下,可将原拱上建筑拆除,以原主拱圈为下弦杆,增设腹杆和上弦杆后,改建为桁架拱桥,当立柱无钢筋则改造为桁架有困难,可将拱上结构改造为刚架拱。本文重点介绍的顶推法加固双曲拱桥主要解决由于地基承载力不足引起的桥梁墩台的水平位移,扭转不均匀沉降以及由此引起的拱顶下沉、拱轴线变位较大、拱脚开裂等病害。顶推法加固双曲拱桥时,采用实测调查与分析计算相结合的旧桥评定方法。该方法是评定既有双曲拱桥上部结构现有技术状况的主要方法,既适用于检验现有双曲拱上部结构是否具有设计的承载能力,也适用于检验能否提高承载能力,包括结构分析计算评定;当桥台水平位移较大时,对双曲拱桥主拱圈进行分析评定,考虑开裂引起内力重分布时结构承载能力非线性分析评定,拱脚截面强度评定。本文对顶推法的施工工艺要点,分水平顶推量的确定,顶推方案的选择,顶推设备设计,施工工艺及工序进行了介绍。在本文最后一章,列举了山东省鱼城惠和桥的加固与施工监控实例。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内拱桥的发展
• 1.3 双曲拱桥的发展
• 1.4 双曲拱桥在拱桥建筑技术上的特点
• 1.5 双曲拱桥在拱桥建筑技术上的缺陷及成因
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 双曲拱桥的受力特性简述
• 2.1 构造特性
• 2.2 受力特性
• 2.2.1 双曲拱桥的结构力学模型
• 2.2.2 双曲拱桥的受力特性
• 2.3 结构与构造的薄弱环节
• 2.3.1 主拱圈的可组合性和整体性之间的矛盾
• 2.3.2 拱波对横桥向强度要求的一致性和拱肋横向连接强度的不均匀性之间的矛盾
• 2.4 本章小结
• 第三章 双曲拱桥的常见病害及原因分析
• 3.1 拱顶下沉，拱轴线变形，桥面积水
• 3.2 主拱圈的裂缝
• 3.2.1 拱肋与拱波结合面的环缝
• 3.2.2 波顶纵缝
• 3.2.3 拱肋径向缝
• 3.2.4 拱脚截面拱背径向缝
• 3.3 拱上建筑损坏
• 3.4 本章小节
• 第四章 双曲拱桥加固方法综述
• 4.1 双曲拱桥的加固方案设计，应考虑的几个问题
• 4.2 粘贴钢板或加筋加固法
• 4.3 增大截面加固法
• 4.3.1 加大拱肋截面
• 4.3.2 加厚拱板、拱波
• 4.3.3 增加拱圈整体性加固法
• 4.4 增设拱肋加固法
• 4.5 调整恒载加固法
• 4.6 改变结构体系加固法
• 4.7 本章小节
• 第五章 顶推法加固双曲拱桥的结构计算与分析评定
• 5.1 概述
• 5.2 结构计算分析
• 5.2.1 主拱圈内力的计算
• 5.2.2 截面强度验算
• 5.3 桥台水平位移较大时，双曲拱桥主拱圈的分析评定
• 5.3.1 考虑开裂引起内力重分布的分析方法的假定
• 5.3.2 由考虑开裂引起内力重分布的分析方法有如下特点
• 5.3.3 考虑开裂引起内力重分布分析方法中容许应力的取用
• 5.3.4 主拱圈截面的整体性分析
• 5.3.5 拱上建筑的分析评定
• 5.4 考虑开裂引起内力重分布时结构承载能力非线性分析评定的计算方法
• 5.4.1 基本假定
• 5.4.2 计算的方法与步骤
• 5.5 拱脚截面强度评定
• 5.5.1 内力计算
• 5.5.2 截面强度评定
• 5.5.3 计算与试验结果的对比
• 5.6 本章小节
• 第六章 水平顶推法加固施工工艺设计要点
• 6.1 水平顶推量的确定
• 6.1.1 按桥梁设计规范规定
• 6.1.2 按结构力学原理
• 6.2 顶推方案的选择
• 6.2.1 刚性横梁顶推方案
• 6.2.2 钢夹具顶推方案
• 6.3 顶推设备设计
• 6.3.1 千斤顶的数量
• 6.3.2 千斤顶的位置设计
• 6.3.3 金属夹具的位置和设计
• 6.4 施工工艺及工序
• 6.5 本章小节
• 第七章 加固工程实例
• 7.1 概述
• 7.2 主要病害及存在问题
• 7.2.1 拱顶下沉
• 7.2.2 拱肋拱顶部位径向开裂
• 7.2.3 拱波波顶纵向裂缝
• 7.2.4 腹拱开裂
• 7.2.5 主拱跨径增大、拱脚高低不一及拱轴变形
• 7.2.6 挠度测试分析
• 7.2.7 承载能力分析
• 7.3 病害原因分析
• 7.3.1 桥台水平位移
• 7.3.2 桥台不均匀沉降
• 7.3.3 桥台转动变形
• 7.4 加固措施
• 7.4.1 两岸桥台外侧顶管加固设计
• 7.4.2 拱桥顶推加固
• 7.5 鱼城惠河双曲拱桥加固施工程序
• 7.5.1 顶管加固桥台施工
• 7.5.2 顶推加固施工程序
• 7.6 顶推结果
• 7.7 加固后的主拱圈承载能力分析与荷载试验
• 7.7.1 横向分布系数计算
• 7.7.2 有限元计算图式
• 7.7.3 截面强度验算
• 7.7.4 加固效果的荷载试验检验
• 7.8 本章小节
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢