一种用于石拱桥的刚度可变式组合结构和加固方法

本发明涉及土木工程结构加固，具体为一种用于石拱桥的刚度可变式组合结构和加固方法。

背景技术：

1、中国是一个历史悠久的文明古国，如在隋唐时期修建的赵州桥因其结构简单、受力合理、就地取材和造型美观而闻名于世。根据文献记载，中国是世界上修建石拱桥最多的国家之一。

2、由于交通流量逐渐增大和既有桥梁使用年限的不断提高，我国公路、县乡道路上数量众多的石拱桥出现了大量危旧桥，通过对桥梁不同类型的病害调查，发现表层缺陷、结构裂缝、外观破损、砌缝渗水、桥面铺装破损严重、桥头跳车、桥台沉降、护坡冲刷以及基础掏空等病害是最普遍的病害。这些病害的存在使结构安全度降低，使得发生桥梁垮塌事件的风险增加，给人民的生命和财产安全带来了巨大的威胁。

3、因此，石拱桥的维修与加固具有非常现实的意义，需要维修加固和提高承载能力的石拱桥数量日益增加，常见的方案有废弃方案、拆除重建方案和维修加固方案。废弃方案很少采用，或因为规划变更或者通行人口减少才会出现。拆除重建方案是常用的方法，具有方案简单可行、技术成熟的优点，但是造价较高且施工过程对环境有一定的破坏作用。维修加固方案也是常见方案之一，具有造价节省、环境友好的优点，但是技术复杂和且会造成局部交通中断。现有技术中大部分的维修加固方法都只能单方面稳固桥梁对活载的承担能力，对石拱桥抵抗自重、增加承载能力没有帮助；亟待提出一种石拱桥的加固结构，能可靠的对现有石拱桥进行灵活的加固处理。

4、钢波纹板作为一种空间结构，与传统的钢板相比，易于采用工厂化制造和装配式安装技术，具有受力性能好、抗变形能力强、工期短、美观等特点。如何发挥钢波纹管的预制装配式优点和高强度优势，特别是钢波纹板在山区桥、文物拱桥、县乡道路桥、高填土拱桥等特殊地区桥梁，以及在防减灾、应急抢险时的作用，是近年来土木工程设计人员应用研究的热点。自密实uhpc(自密实超高性能混凝土)，是一种由水泥、钢纤维、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、高效减水剂等细骨料按最大密实理论级配而成的水泥基复合材料，它具有高强度、高韧性、低孔隙率、高耐久性、后期基本无收缩的特点。自密实uhpc(自密实超高性能混凝土)凭借其超高力学性能，可以减小结构尺寸，减轻自重，从而提高拱桥承载能力和耐久性能，在结构工程领域有广泛的应用前景。uhpc(超高性能混凝土)改变其组份及含量，可以衍生出很多类型，如rpc、crc和mscc。由于石拱桥的受力构件—拱圈主要承受压力，uhpc的超高抗压性能可以得到充分的利用。

5、本发明利用钢波纹板和超高性能混凝土两种材料高强、高韧的力学性能优势(钢材抗拉、抗压强度可达到335mpa以上，uhpc材料的抗压强度可达120mpa以上，抗拉强度为5～10mpa)，增加剪力钉和钢筋骨架连接形成整体受力，形成钢波纹板-uhpc组合结构。与现有钢筋混凝土结构相比，由于钢波纹板-uhpc新型组合结构能充分发挥两种材料的优势，可大大提高拱圈的强度和刚度；在同样受力条件下，本实施例的组合结构新拱圈更薄，进而减轻结构自重，使得本发明的拱圈结构具有高强、轻型化和不易开裂的优势，还可以解决普通混凝土拱圈的渗水问题。本发明可以根据石拱桥的技术状况等级，可以和旧拱桥按可变比例系数α分担上部结构荷载，截面刚度灵活可变。本发明提供增强石拱桥耐久性的技术措施，可以合理延长石拱桥的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种用于石拱桥的刚度可变式组合结构和加固方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明的目的是提供一种用于石拱桥的刚度可变式组合结构和加固方法，利用了钢波纹板的预制拼装特点，利用了uhpc超高抗压性能的特点。可以根据石拱桥的技术状况等级，可以和旧拱桥按照可变比例系数α分担上部结构荷载，截面刚度灵活可变。本发明提供增强石拱桥耐久性的技术措施。钢波纹板既是永久结构的一部分，也用作施工阶段的模板。相对废弃方案和拆除重建方案，采用组合结构加固石拱桥可以实现构件高强、轻型化，有利于降低工程成本、缩短施工周期、环境友好和节能降碳。适用于山区桥、文物桥、县乡道路桥、高填土桥等多种拱桥，在防减灾、应急抢险时发挥其不可替代的作用。

3、本发明所采用的技术方案为：

4、一种用于石拱桥的刚度可变式组合结构和加固方法，包括刚度可变式加固方法、组合结构新拱圈和新旧结合型基础。所述刚度可变式加固方法主要由组合结构的不同截面高度、不同钢板厚度和不同的钢筋网实现，和原石拱桥按照可变比例系数α承担上部结构荷载。运用刚度可变式加固方法时，需要进行现场荷载试验、理论计算和桥梁技术状况等级评定。现场荷载试验效率介于0.95～1.05之间；主要测点现场荷载试验结构校验系数<1。主要测点相对残余变位<20％。可根据现场试验结果和理论计算结果，进行桥梁技术状况等级评定，并进行分类；可根据桥梁技术状况分类，提出加固改造方案。结构加固设计所述新拱圈结构包含外单元和内单元。

5、优选的，钢波纹板横向拼装成节段外单元，再由多个节段外单元轴向连接组成拱圈肋，顶底部形成新拱圈外单元。节段外单元采用高强螺栓连接，轴向上相邻的两个节段外单元之间的连接呈现锯齿状，错开率>77％，禁止出现通缝。

6、优选的，新拱圈外单元顶板和底板内壁上，焊接有m列t型剪力钉。

7、优选的，新拱圈外单元顶板，设置有n列圆形孔，方便锚固筋通过。圆形孔直径比锚固筋直径略大，圆形孔还设置有弹性密封垫，防止漏浆。

8、优选的，新拱圈外单元底板内壁上，焊接有锚筋下部和定位角钢，锚筋上部穿过新拱圈外单元顶板，插入石拱桥锚固孔中。定位角钢用于新拱圈外单元顶板、底板和钢筋笼的相对定位。

9、优选的，新拱圈结构内单元中间填充有自密实uhpc(自密实超高性能混凝土)；中间设置有钢筋网，采用构造配筋，钢筋的直径和间距根据规则1而定。钢波纹板厚度、钢腹板厚度、所需uhpc抗压强度，根据结构计算规则2而定。所述自密实uhpc主要由水泥、钢纤维、石英砂、硅灰、石英粉、高效减水剂和水配制而成，技术控制指标包括：28天抗压强度、抗拉强度、坍落度、扩展度和抗渗等级等；浇筑过程按照腹板预留的浇筑口位置由下到上，采用分层浇筑方式。

10、优选的，新拱圈外单元和定位角钢均设置有新拱圈外单元和定位角钢均设置有f1防腐涂层，指标包括：除锈等级和涂层厚度t1。钢筋设置有f2防腐涂层,指标包括：表面净化质量、除锈等级、湿附着力、与混凝土相对粘接强度、剥离半径、涂层厚度均值和涂层单点厚度。

11、优选的，在石拱桥拱圈下表面预先进行界面处理，包括凿毛、清洁和除锈等。新拱圈结构与石拱桥之间设置有细石混凝土垫层，可将原石拱桥荷载传至新拱圈组合结构。

12、优选的，新拱圈结构腹板采用预制钢板，与顶板、底板焊接。腹板上部设置有混凝土浇筑口。

13、优选的，加固后的石拱桥承受推力，新增设nc混凝土基础，nc混凝土基础设置有预埋件和钢筋，预埋件钢筋和石拱桥基础锚筋之间采用钢筋直螺纹套筒连接，如有必要，对石拱桥拱脚基础地基层进行注浆、护坡和防冲刷处理。

14、优选的，新拱圈结构外单元在施工阶段可做为模板使用，uhpc浇筑后连为一体，在运营阶段是新拱圈永久结构的一部分，在施工过程中，应加强对新拱圈结构外单元的成品保护，防止结构损伤和防腐层破坏。

15、本发明的有益效果为：

16、1.组合结构新拱圈外单元由多节波纹钢板通过高强螺栓交错拼装而成，内单元由剪力钉、现浇uhpc、钢筋网组成，不仅利用了钢波纹板和超高性能混凝土两种材料高强、高韧的力学性能优势，减少了结构尺寸，减轻自重，组合结构新拱圈结构具有高强、轻型化、不易开裂的特点。

17、2.所述刚度可变式加固方法主要靠组合结构的不同截面高度、不同钢板厚度和钢筋网实现，和原石拱桥按照可变比例系数α承担上部结构荷载。可适应石拱桥不同的技术状况等级，可用于不同桥龄和不同地区的石拱桥。

18、3.新旧结合型基础协同承受石拱桥的推力，新浇筑的n.c.混凝土基础设置有预埋件，预埋件钢筋和原石拱桥锚筋之间采用机械螺纹连接，原有基础利用率高，可大大节省造价。

19、4.新拱圈外单元和定位角钢均设置有f1涂层，钢筋设置有f2涂层；必要时对石拱桥拱脚基础地基层进行注浆、护坡和防冲刷处理。提供的耐久性措施可以合理延长石拱桥的使用寿命。

20、5.新拱圈结构外单元既是临时结构又是永久结构。波纹钢板在施工阶段可做为模板使用，浇筑uhpc后形成整体结构，在运营阶段和是新拱圈永久结构的一部分。