CN110777680A - 梁桥加固、提载、改造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梁桥加固、提载、改造的方法，即在原桥上增设钢上弦杆（1）、钢腹杆（2）、钢下弦杆（3），并以原结构作为下弦杆，形成桁架共同抵抗部分荷载；所述的钢上弦杆（1）、钢腹杆（2）和钢下弦杆（3）构成桁架布置于桥面。钢桁架片数依需要而定，桁架设置位置以桥面布置为准。为保证桁架稳定性，可每隔一定间距布设钢柱（4）；钢桁架与桥面的连接可通过多种方式进行。本方法施工简便，通过增设钢结构，可与原结构一起形成复合抗弯，将部分荷载转由桁式结构承担，可以较少代价提高结构的抗弯、抗剪能力和承载力，进而改善结构的力学性能，特别适用于既有梁桥的加固、提载和改造。

Description

梁桥加固、提载、改造的方法

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及了一种梁桥加固、提载、改造的方法。

背景技术

梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构，其做为桥梁体系中最基本的结构形式，以结构简单、造价相对便宜和施工技术成熟等优点，成为世界上修建最多的桥型之一，在交通运输中发挥着不可替代的作用。

梁式桥按照受力特点的不同，可分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥和T型刚构桥等几种桥型。由于各种桥型都有其自身优势，因而梁式桥一直是中小跨径及一般大跨径的桥梁中最常采用的桥型。梁式桥施工难度相对较小，加之预应力技术的成熟及运用，使其在国内外的公路、铁路及城市桥梁建设中均占有重要的地位，随着落地支架法、移动模架法、悬臂浇筑法、整孔预制拼装法、转体施工法、节段预制拼装法、顶推施工法等新施工技术的应用，梁式桥在桥梁发展史中仍有着广阔的发展前景。

但是，随着服役时间的增长，已建成的预应力梁式桥的各种缺陷逐渐凸显，因预应力松弛而导致的病害严重影响者桥梁结构的安全和正常使用。目前在国内外的大跨梁式桥中，主要存在的一些常见病害，概括起来有两大类，即跨中下挠和梁体开裂。总的来说，跨径80～100m的梁桥，病害较少些；跨径100～160m的梁桥，病害较多些；跨径160m以上的梁桥，病害较重些。例如，虎门大桥辅航道桥(1997年建成，三跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为150+270+150m)，经7年的连续观测发现，主跨跨中挠度逐年增长，且尚未停止，截止2003年的测量数据表明，与成桥时相比，左幅桥梁跨中下挠累计达22.2cm，右幅桥梁跨中下挠累计达20.7cm；黄石长江大桥(1995年建成，预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为162.5+3×245+162.5m)，运营7年后，各跨跨中均有明显下挠，与成桥时相比，跨中最大下挠达30.5cm；广东南海金沙大桥，(1994年建成，三跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为66+120+66m)，2000年底检测中发现，主跨跨中挠度达22.0cm，主跨箱梁腹板有大量斜裂缝，最大裂缝宽度1.15mm；三门峡黄河公路大桥(1992年建成，预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为105+4×140+105m)，2002年6月检测中发现，跨中最大下挠达22.0cm，且梁体出现大量裂缝；英国Kingston桥(1970年建成，预应力混凝土箱梁桥，跨径布置为62.5+143.3+62.5m)，至1998年跨中下挠已达30.0cm；Koror-Babeldaob桥(1978年建成，三跨预应力混凝土T型刚构桥，跨径布置为53.6+240.8+53.6m)，到1996年跨中最大下挠已达1.2m；美国鹦鹉渡口桥(1979年建成，连续刚构桥，跨径布置为99+195+99m)，刚建成5个月主跨跨中就下挠了约30.0cm，使用10年后又继续下挠了约30.0cm；重庆长江大桥(1980年建成，带挂梁的预应力混凝土T型刚构桥，最大跨径174m)，建成10年后，T构悬臂端部下挠变形值最大达到24.0cm；柳江大桥(1967年建成，带挂梁的预应力混凝土T型刚构桥，最大跨径124m)，通车后出现了跨中下挠过大的情况。

目前国内外对桥梁进行加固改造的主要技术方案如下：

桥面补强层加固法：该方法须先将原桥面铺装全部凿除或凿毛，然后加铺一定厚度的补强层，以增大主梁有效高度及改善桥梁荷载横向分布能力，从而提高单梁承载能力或桥梁结构整体承载能力。但这种方法由于加厚部分使桥梁自重和恒载弯矩增加较多，并且仍然是原结构下缘受拉钢筋应力控制设计，故此加固方法一般只适用于跨径较小的T形梁桥或板桥。

增大截面与配筋加固法：当桥梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时，通常采用增大构件截面、增加配筋、提高配筋率的加固方法。该方法在施工质量可靠的情况下加固效果是比较理想的，并且几乎不需要后期养护。但是，这种方法不可避免地增加了结构的自重，且施工过程中全部的作业需在梁底进行，施工难度较大，且施工质量难以控制。

体外预应力加固法：该方法是加固效果最明显，其优点是可在不增加桥梁自重的前提下，有效增加加固后主梁的抗弯刚度并大幅度提高主梁的承载能力，从而降低了墩台基础的加固量。同时，在合理安排施工流程的前提下，可最大限度地减少对桥上交通的影响。但是该方法施工工艺最为复杂，由于箱梁跨中的梁高较小，使得体外预应力束的布置角度受到一定限制，体外预应力的竖向分力有限，而且加固设计不当还会引起箱梁局部截面应力超限，造成附加安全隐患，且加固后体外预应力束容易锈蚀。

粘贴钢板加固法：即用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位，使钢板与加固混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力的目的。该方法具有基本不改变原结构的尺寸、施工简单、技术可靠、短期加固效果较好、工艺成熟等优点。但是粘贴钢板存在被动受力问题，当粘贴钢板发挥应有的作用时，被加固梁体往往已变形较大，因此，在跨中梁体已发生较大下挠的情况下，加固效果不是很理想，且由于粘贴钢板加固后均须进行必要的表面防护，增加了加固桥梁的后期养护费用。

改变结构受力体系加固法：即通过改变桥梁结构受力体系以达到提高结构整体承载能力的目的。该方法须对原结构的受力状况进行仔细的现场调查与分析，并对转换后的桥梁结构进行可靠的受力分析，对专业性有着很高要求，且相邻梁端负弯矩区的处理较为困难。

增设主梁加固法：这种方法投资较大，且新旧桥梁间存在衔接问题、不同步受力问题。加固施工期间需中断交通，加固完成后在车辆荷载作用下，桥面铺装层常出现沿衔接面方向的通缝，因此需对桥面铺装进行反复修补，既增加了后期养护的费用，也影响了行车的平稳性。

锚喷混凝土加固法：主要用于因支点截面尺寸偏小而导致的抗剪强度不足的混凝土梁的加固维修。在确保新旧混凝土粘结质量可靠的前提下，锚喷混凝土加固可明显增大主梁刚度，有效提高结构的耐久性，而后期几乎不需要养护费用，但此种加固方法仅在浆砌片石拱桥加固中运用较多，在梁桥加固中应用很少。

增加横向联系加固法：即通过增设桥梁横向联系改善上部结构的荷载横向分布规律，从而达到提高结构整体承载能力的加固方法，一般用于加固无内横梁或少内横梁的T形截面及工字形截面的梁式桥。但是这种加固方法会对原结构造成一定程度的损伤，不适用于配筋较为复杂的区域或构件。

粘贴碳纤维布加固法：碳纤维增强复合材料是一种性能优良的混凝土结构加固材料，具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点，但在大跨度预应力混凝土连续箱梁桥加固时，若要使碳纤维发挥作用则必须让梁体发生较大的变形。因此，采用此法加固大跨度预应力混凝土连续箱梁桥时，虽然可以大幅度提高其极限承载力，但不能有效提高正常使用状态承载力。

我国许多现有梁桥有很多是根据20世纪70年代或80年代初期颁布的设计标准建造的，其设计荷载均较低。随着服役时间的增长、交通量的增加，各种重型车辆，尤其是工程用重型运输车的不断出现，桥梁负荷日趋加重，加之旧桥部分老化、破损或受原设计标准的限制，已不能适应现代交通运输的要求，所以采取有效的加固改造措施，恢复和提高这些桥梁的承载能力，使其继续为现代交通运输服务，可以给国家带来巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统方法在梁式桥加固、提载、改造上存在的突出问题，提出了一种梁桥加固、提载、改造的方法。本发明主要是在原梁体上增设钢构件以形成桁式结构，从而共同抵抗部分荷载，该方法实现了梁高最大化和截面复合抗弯，从而达到提高结构刚度和承载力的目的，在施工上较为简便，对交通影响较小，可为梁式桥加固提供更安全、更经济、更高效、更简单的技术方案。本发明施工简便，可在增加较少用钢量的前提下，有效提高结构的刚度、强度承载力和动力特性等力学性能，因此特别适用于既有梁式桥的加固、提载、改造。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种梁桥加固、提载、改造的方法，即在原桥上增设钢上弦杆、钢腹杆和钢下弦杆，并以原结构作为下弦杆，形成桁架共同抵抗部分荷载；所述的钢上弦杆、钢腹杆和钢下弦杆构成钢桁架布置于桥面。钢桁架设置位置以桥面布置为准。为保证桁架稳定性，可每隔一定间距布设钢柱。钢桁架与桥面的连接可通过多种方式进行。

在本发明中，通过增设钢结构，可与原结构一起形成复合抗弯，将部分荷载转由桁式结构承担，即钢上弦杆、钢腹杆和钢下弦杆构成一个钢桁架，同时这个钢桁架又与原桥结构构成一个大桁架，这样可以较少代价提高结构的抗弯、抗剪能力和承载力，进而改善结构的力学性能，特别适用于既有梁桥的加固、提载和改造。

作为本发明进一步说明，可用于简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥和T型刚构桥的加固。

作为本发明进一步说明，可用于单跨和多跨梁桥的加固。

作为本发明进一步说明，可在钢桁架间设横向连接，并在其上铺设桥面结构，以将原桥改造为双层甚至多层桥梁。

作为本发明进一步说明，原桥的主梁的横断面包括板式横断面、肋板式横断面、箱形横断面。

作为本发明进一步说明，所述的钢桁架的片数可依据梁桥加固、提载、改造的需要而定；所述的钢桁架设置在中央分隔带、桥梁两侧等对交通影响不大处为宜。

作为本发明进一步说明，钢下弦杆与桥面连接时，先将连接位置的桥面凿开直至露出主筋，再焊接抗剪连接件，最后安装钢下弦杆，浇筑混凝土形成整体。

作为本发明进一步说明，若不设钢下弦杆，则钢腹杆与桥面连接时，先将连接位置的桥面凿开直至露出主筋，接着在主筋上焊接水平钢板和抗剪连接件，再在水平钢板下方焊接竖直钢板，形成“T”型平台，最后将其与钢腹杆焊接起来并浇筑混凝土形成整体。

作为本发明进一步说明，钢上弦杆，钢腹杆、钢下弦杆相互连接时可用焊接、螺栓连接或栓焊结合的方式。

作为本发明进一步说明，所述的钢上弦杆和钢下弦杆之间还设有钢柱，并且钢柱竖直布置。在一定距离内增设钢柱可以进一步提高钢桁架的稳定性。

本发明的优点：

1.新增恒载少。本发明新增结构采用钢结构，且每平米用钢量较少，因此对结构自重增加很小。

2.适应性强，施工简单。本发明所增设的钢桁架布置于桥面上方，适用于各种梁式桥的加固、提载、改造，由于钢桁架的拼接可利用桥面作为施工平台，施工简单易行。

3.施工周期短，费用低。本发明新增设的钢桁架用钢量少，故施工所需的费用很少，且施工时仅需进行焊接或螺栓连接，施工简易快捷。

4.对交通影响较小。本发明增设的钢桁架布置在原梁体上方的中央分隔带或左右两侧，施工时对主线交通影响亦较小。

5.运营养护费用低。本发明新增部分为钢结构，尤其是使用耐候钢后，结构的耐久性更佳，后期养护工作量小。

6.效果明显。利用本发明进行加固、提载、改造，可有效提高结构的刚度、强度承载力和动力特性等力学性能。

附图说明

图1是利用本发明加固完成后的连续刚构桥的总体布置示意图。

图2是不设钢下弦杆时利用本发明加固完成后的连续刚构桥的总体布置示意图。

图3是图1和图2的俯视结构示意图。

图4是利用本发明加固完成后的连续刚构桥的主梁横断面示意图。

图5是边中跨比为0.7的连续梁桥(主跨跨径为l、抗弯刚度为EI)恒载作用下弯矩图。

图6是边中跨比为0.7的连续梁桥(主跨跨径为l、抗弯刚度为EI)活载作用下弯矩图。

图7是组合荷载作用下连续梁桥的弯矩特征变化大致规律图。

图8是原梁体截面的静力等效示意图。

图9是加固完成后梁体截面的静力等效示意图。

附图标记：1-钢上弦杆，2-钢腹杆，3-钢下弦杆,4-钢柱。

具体实施方式

现结合图1～图5，对本发明的力学原理及其结构进行说明：

1.原理简析

梁桥的加固、提载、改造应尽量避免新增过大的恒载，因此，为尽量减小所增加荷载对原结构的负担，本发明采用钢桁架进行加固。新增设的钢上弦杆、钢腹杆、钢下弦杆形成的钢桁架可独自承弯，此外，加固完成后的桥梁亦可看成是以原结构作为下弦杆并与钢上弦杆和钢腹杆形成的大桁架结构，钢上弦杆的轴力与原混凝土结构的轴力形成一对力偶来抵抗弯矩，从而实现复合抗弯，大大提高了原结构的抗弯能力，通过合理设计使中性轴仍然落在下弦杆(混凝土结构)上，可以达到节省用钢量并充分发挥原有结构抗弯能力的目的。

2.力学解析

(1)连续梁桥受弯规律

通常情况连续梁桥在恒载作用下，其反弯点是确定的，而在移动荷载作用下，其反弯点又是不确定的，故连续梁桥各截面在使用状态下的弯矩值是变化的，弯矩性质(指正弯或负弯)也有可能发生改变，其主要与跨度、结构布置及恒、活载比例有关。现以边中跨比为0.7的连续梁桥(主跨跨径为l、抗弯刚度为EI)为例，作如下分析：

设恒载集度为g，连续梁桥在恒载作用下的弯矩图如图5所示。可见，在恒载作用下，连续梁桥的负弯峰值位于支座处(A截面)，正弯峰值位于主跨跨中(C截面)，且A截面(负弯)与C截面(正弯)间存在反弯点(B截面)。

设移动荷载集度为q，令其作用于左边跨，连续梁桥在活载作用下的弯矩图如图6所示。可见移动荷载作用下，连续梁桥在A、B和C三点的弯矩特征与恒载作用下存在差异。

将恒、活载作用的弯矩值进行叠加，可知：对A截面来说，两种荷载作用下均为负弯值，因此其弯矩恒为负；对C截面来说，两者叠加后其弯矩特征(正弯或负弯)是待定的，其与跨度和恒、活载比例及结构布置有关；对B截面来说，其弯矩特征由零变为负(或由零变为正)。

综上所述，在恒、活载共同作用下，连续梁的弯矩特征是：负弯区较为恒定，而反弯点及正弯区(恒载作用下的区域)则是可变的，但通过合理设计，连续梁的弯矩特征变化大致规律仍可用图7表示。

(2)加固布置

基于以上分析，本发明将钢桁架沿全桥通长布置，在负弯区，可充分发挥钢材的抗拉优势；在正负弯交替出现区，因梁段截面上部及下部均可能出现拉应力，故采用钢结构；在正弯区，采用钢结构以减小荷载效应。

(3)截面受力分析

对负弯矩区截面做详细的力学分析(正弯矩区分析与此类似)，如图8所示，未加固时，中性轴落在混凝土截面上，原梁体截面上必然同时存在拉、压应力，可将其进行静力等效为N_c与

加固后，对结构全截面再进行静力等效，如图9所示，分别求出该截面上主矢、主矩表达式：

N＝N_s-N_c＝0 (1)

且有：

y₁+y₂＝H (3)

将(1)、(3)式代入(2)式可得：

其中N_s为钢结构所受轴力，

为原结构所承担的弯矩，H为桁高。从表达式(4)可以看出，加固完成后桥梁的抗弯能力由两部分组成，即新增桁架与原混凝土结构形成复合抗弯。

实施例：

将本发明应用于香江圩郁江特大桥加固，该桥为一座四跨预应力钢筋混凝土刚构桥，分为左右两幅，桥梁全长为410m，跨径组合80.0m+2×125.0m+80.0m，原桥上部结构采用预应力钢筋混凝土，每幅主梁为单箱单室箱梁，采用变截面(2.5～6.8m)，梁高按抛物线渐变。该桥下部结构两端桥台采用肋式埋置式桥台，双排桩基础。桥墩采用双薄壁墩，双排桩基础。桥面总宽为26.5m，桥宽布置为：0.5m防撞墙+11.75m车行道+0.5m防撞墙+1.0m分隔带+0.5m防撞墙+11.75m车行道+0.5m防撞墙，两幅桥桥台处设有梳形钢板伸缩装置。桥面铺装采用水泥混凝土铺装层，两侧均安装高0.8m、宽0.5m的防撞护栏。具体为：在原桥上增设钢上弦杆1、钢腹杆2、钢下弦杆3，并以原结构作为下弦杆，形成桁架共同抵抗部分荷载；所述的钢上弦杆1、钢腹杆2和钢下弦杆3构成桁架布置于桥面。本方法施工简便，通过增设钢结构，可与原结构一起形成复合抗弯，将部分荷载转由桁式结构承担，可以较少代价提高结构的抗弯、抗剪能力和承载力，进而改善该桥的力学性能。

加固设计为：将钢上弦杆和钢腹杆进行焊接形成高3.5m的桁片并布置于桥面两侧，每隔10m对悬臂翼缘板设置斜撑，钢与混凝土之间通过设置剪力钉实现有效传力。同时，在箱梁顶板、腹板和底板裂缝处粘贴宽300mm，厚6mm的钢板进行加固。

利用本方案对该桥进行加固后，全桥力学性能的优越性具体表现在：最不利荷载组合作用下混凝土压应力较原桥减小5％，活载作用下混凝土压应力较原桥减小12％，移动荷载作用下刚度提高20％，基频提高15％。

实施例技术参数对比表

Claims (10)

1.一种梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：在原桥上增设钢上弦杆（1）、钢腹杆（2）和钢下弦杆（3），并以原桥结构作为下弦杆，形成桁架共同抵抗部分荷载；所述的钢上弦杆（1）、钢腹杆（2）和钢下弦杆（3）构成钢桁架布置于桥面。

2.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：用于简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥和T型刚构桥的加固。

3.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：用于单跨和多跨梁桥的加固。

4.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：在钢桁架间设横向连接，并在其上铺设桥面结构，以将原桥改造为双层甚至多层桥梁。

5.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：所述的原桥的主梁的横断面包括板式横断面、肋板式横断面、箱形横断面。

6.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：所述的钢桁架设置在中央分隔带和/或桥梁两侧。

7.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：所述的钢下弦杆（3）与桥面连接时，先将连接位置的桥面凿开直至露出主筋，再焊接抗剪连接件，最后安装钢下弦杆（3），浇筑混凝土形成整体。

8.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：若不设钢下弦杆（3），则钢腹杆（2）与桥面连接时，先将连接位置的桥面凿开直至露出主筋，接着在主筋上焊接水平钢板和抗剪连接件，再在水平钢板下方焊接竖直钢板，形成“T”型平台，最后将“T”型平台与钢腹杆（2）焊接起来并浇筑混凝土形成整体。

9.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：所述的钢上弦杆（1）、钢腹杆（2）、钢下弦杆（3）相互连接时采用焊接、螺栓连接或栓焊结合的方式。

10.根据权利要求1所述的梁桥加固、提载、改造的方法，其特征在于：所述的钢上弦杆（1）和钢下弦杆（3）之间还设有钢柱（4），并且钢柱（4）竖直布置。

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