本發(fā)明涉及土木工程結(jié)構(gòu)加固，具體為一種用于石拱橋的剛度可變式組合結(jié)構(gòu)和加固方法。

背景技術(shù)：

1、中國(guó)是一個(gè)歷史悠久的文明古國(guó)，如在隋唐時(shí)期修建的趙州橋因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力合理、就地取材和造型美觀而聞名于世。根據(jù)文獻(xiàn)記載，中國(guó)是世界上修建石拱橋最多的國(guó)家之一。

2、由于交通流量逐漸增大和既有橋梁使用年限的不斷提高，我國(guó)公路、縣鄉(xiāng)道路上數(shù)量眾多的石拱橋出現(xiàn)了大量危舊橋，通過(guò)對(duì)橋梁不同類型的病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)表層缺陷、結(jié)構(gòu)裂縫、外觀破損、砌縫滲水、橋面鋪裝破損嚴(yán)重、橋頭跳車、橋臺(tái)沉降、護(hù)坡沖刷以及基礎(chǔ)掏空等病害是最普遍的病害。這些病害的存在使結(jié)構(gòu)安全度降低，使得發(fā)生橋梁垮塌事件的風(fēng)險(xiǎn)增加，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大的威脅。

3、因此，石拱橋的維修與加固具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義，需要維修加固和提高承載能力的石拱橋數(shù)量日益增加，常見的方案有廢棄方案、拆除重建方案和維修加固方案。廢棄方案很少采用，或因?yàn)橐?guī)劃變更或者通行人口減少才會(huì)出現(xiàn)。拆除重建方案是常用的方法，具有方案簡(jiǎn)單可行、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)較高且施工過(guò)程對(duì)環(huán)境有一定的破壞作用。維修加固方案也是常見方案之一，具有造價(jià)節(jié)省、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，但是技術(shù)復(fù)雜和且會(huì)造成局部交通中斷?，F(xiàn)有技術(shù)中大部分的維修加固方法都只能單方面穩(wěn)固橋梁對(duì)活載的承擔(dān)能力，對(duì)石拱橋抵抗自重、增加承載能力沒(méi)有幫助；亟待提出一種石拱橋的加固結(jié)構(gòu)，能可靠的對(duì)現(xiàn)有石拱橋進(jìn)行靈活的加固處理。

4、鋼波紋板作為一種空間結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼板相比，易于采用工廠化制造和裝配式安裝技術(shù)，具有受力性能好、抗變形能力強(qiáng)、工期短、美觀等特點(diǎn)。如何發(fā)揮鋼波紋管的預(yù)制裝配式優(yōu)點(diǎn)和高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，特別是鋼波紋板在山區(qū)橋、文物拱橋、縣鄉(xiāng)道路橋、高填土拱橋等特殊地區(qū)橋梁，以及在防減災(zāi)、應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)的作用，是近年來(lái)土木工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。自密實(shí)uhpc(自密實(shí)超高性能混凝土)，是一種由水泥、鋼纖維、石英砂、石英粉、硅灰、粉煤灰、高效減水劑等細(xì)骨料按最大密實(shí)理論級(jí)配而成的水泥基復(fù)合材料，它具有高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率、高耐久性、后期基本無(wú)收縮的特點(diǎn)。自密實(shí)uhpc(自密實(shí)超高性能混凝土)憑借其超高力學(xué)性能，可以減小結(jié)構(gòu)尺寸，減輕自重，從而提高拱橋承載能力和耐久性能，在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。uhpc(超高性能混凝土)改變其組份及含量，可以衍生出很多類型，如rpc、crc和mscc。由于石拱橋的受力構(gòu)件—拱圈主要承受壓力，uhpc的超高抗壓性能可以得到充分的利用。

5、本發(fā)明利用鋼波紋板和超高性能混凝土兩種材料高強(qiáng)、高韌的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)(鋼材抗拉、抗壓強(qiáng)度可達(dá)到335mpa以上，uhpc材料的抗壓強(qiáng)度可達(dá)120mpa以上，抗拉強(qiáng)度為5～10mpa)，增加剪力釘和鋼筋骨架連接形成整體受力，形成鋼波紋板-uhpc組合結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，由于鋼波紋板-uhpc新型組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，可大大提高拱圈的強(qiáng)度和剛度；在同樣受力條件下，本實(shí)施例的組合結(jié)構(gòu)新拱圈更薄，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)自重，使得本發(fā)明的拱圈結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)、輕型化和不易開裂的優(yōu)勢(shì)，還可以解決普通混凝土拱圈的滲水問(wèn)題。本發(fā)明可以根據(jù)石拱橋的技術(shù)狀況等級(jí)，可以和舊拱橋按可變比例系數(shù)α分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，截面剛度靈活可變。本發(fā)明提供增強(qiáng)石拱橋耐久性的技術(shù)措施，可以合理延長(zhǎng)石拱橋的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種用于石拱橋的剛度可變式組合結(jié)構(gòu)和加固方法。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明的目的是提供一種用于石拱橋的剛度可變式組合結(jié)構(gòu)和加固方法，利用了鋼波紋板的預(yù)制拼裝特點(diǎn)，利用了uhpc超高抗壓性能的特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)石拱橋的技術(shù)狀況等級(jí)，可以和舊拱橋按照可變比例系數(shù)α分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，截面剛度靈活可變。本發(fā)明提供增強(qiáng)石拱橋耐久性的技術(shù)措施。鋼波紋板既是永久結(jié)構(gòu)的一部分，也用作施工階段的模板。相對(duì)廢棄方案和拆除重建方案，采用組合結(jié)構(gòu)加固石拱橋可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高強(qiáng)、輕型化，有利于降低工程成本、縮短施工周期、環(huán)境友好和節(jié)能降碳。適用于山區(qū)橋、文物橋、縣鄉(xiāng)道路橋、高填土橋等多種拱橋，在防減災(zāi)、應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)發(fā)揮其不可替代的作用。

3、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

4、一種用于石拱橋的剛度可變式組合結(jié)構(gòu)和加固方法，包括剛度可變式加固方法、組合結(jié)構(gòu)新拱圈和新舊結(jié)合型基礎(chǔ)。所述剛度可變式加固方法主要由組合結(jié)構(gòu)的不同截面高度、不同鋼板厚度和不同的鋼筋網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，和原石拱橋按照可變比例系數(shù)α承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。運(yùn)用剛度可變式加固方法時(shí)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)、理論計(jì)算和橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定。現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)效率介于0.95～1.05之間；主要測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)<1。主要測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變位<20％?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定，并進(jìn)行分類；可根據(jù)橋梁技術(shù)狀況分類，提出加固改造方案。結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)所述新拱圈結(jié)構(gòu)包含外單元和內(nèi)單元。

5、優(yōu)選的，鋼波紋板橫向拼裝成節(jié)段外單元，再由多個(gè)節(jié)段外單元軸向連接組成拱圈肋，頂?shù)撞啃纬尚鹿叭ν鈫卧?。?jié)段外單元采用高強(qiáng)螺栓連接，軸向上相鄰的兩個(gè)節(jié)段外單元之間的連接呈現(xiàn)鋸齒狀，錯(cuò)開率>77％，禁止出現(xiàn)通縫。

6、優(yōu)選的，新拱圈外單元頂板和底板內(nèi)壁上，焊接有m列t型剪力釘。

7、優(yōu)選的，新拱圈外單元頂板，設(shè)置有n列圓形孔，方便錨固筋通過(guò)。圓形孔直徑比錨固筋直徑略大，圓形孔還設(shè)置有彈性密封墊，防止漏漿。

8、優(yōu)選的，新拱圈外單元底板內(nèi)壁上，焊接有錨筋下部和定位角鋼，錨筋上部穿過(guò)新拱圈外單元頂板，插入石拱橋錨固孔中。定位角鋼用于新拱圈外單元頂板、底板和鋼筋籠的相對(duì)定位。

9、優(yōu)選的，新拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)單元中間填充有自密實(shí)uhpc(自密實(shí)超高性能混凝土)；中間設(shè)置有鋼筋網(wǎng)，采用構(gòu)造配筋，鋼筋的直徑和間距根據(jù)規(guī)則1而定。鋼波紋板厚度、鋼腹板厚度、所需uhpc抗壓強(qiáng)度，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)則2而定。所述自密實(shí)uhpc主要由水泥、鋼纖維、石英砂、硅灰、石英粉、高效減水劑和水配制而成，技術(shù)控制指標(biāo)包括：28天抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、坍落度、擴(kuò)展度和抗?jié)B等級(jí)等；澆筑過(guò)程按照腹板預(yù)留的澆筑口位置由下到上，采用分層澆筑方式。

10、優(yōu)選的，新拱圈外單元和定位角鋼均設(shè)置有新拱圈外單元和定位角鋼均設(shè)置有f1防腐涂層，指標(biāo)包括：除銹等級(jí)和涂層厚度t1。鋼筋設(shè)置有f2防腐涂層,指標(biāo)包括：表面凈化質(zhì)量、除銹等級(jí)、濕附著力、與混凝土相對(duì)粘接強(qiáng)度、剝離半徑、涂層厚度均值和涂層單點(diǎn)厚度。

11、優(yōu)選的，在石拱橋拱圈下表面預(yù)先進(jìn)行界面處理，包括鑿毛、清潔和除銹等。新拱圈結(jié)構(gòu)與石拱橋之間設(shè)置有細(xì)石混凝土墊層，可將原石拱橋荷載傳至新拱圈組合結(jié)構(gòu)。

12、優(yōu)選的，新拱圈結(jié)構(gòu)腹板采用預(yù)制鋼板，與頂板、底板焊接。腹板上部設(shè)置有混凝土澆筑口。

13、優(yōu)選的，加固后的石拱橋承受推力，新增設(shè)nc混凝土基礎(chǔ)，nc混凝土基礎(chǔ)設(shè)置有預(yù)埋件和鋼筋，預(yù)埋件鋼筋和石拱橋基礎(chǔ)錨筋之間采用鋼筋直螺紋套筒連接，如有必要，對(duì)石拱橋拱腳基礎(chǔ)地基層進(jìn)行注漿、護(hù)坡和防沖刷處理。

14、優(yōu)選的，新拱圈結(jié)構(gòu)外單元在施工階段可做為模板使用，uhpc澆筑后連為一體，在運(yùn)營(yíng)階段是新拱圈永久結(jié)構(gòu)的一部分，在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新拱圈結(jié)構(gòu)外單元的成品保護(hù)，防止結(jié)構(gòu)損傷和防腐層破壞。

15、本發(fā)明的有益效果為：

16、1.組合結(jié)構(gòu)新拱圈外單元由多節(jié)波紋鋼板通過(guò)高強(qiáng)螺栓交錯(cuò)拼裝而成，內(nèi)單元由剪力釘、現(xiàn)澆uhpc、鋼筋網(wǎng)組成，不僅利用了鋼波紋板和超高性能混凝土兩種材料高強(qiáng)、高韌的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，減少了結(jié)構(gòu)尺寸，減輕自重，組合結(jié)構(gòu)新拱圈結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)、輕型化、不易開裂的特點(diǎn)。

17、2.所述剛度可變式加固方法主要靠組合結(jié)構(gòu)的不同截面高度、不同鋼板厚度和鋼筋網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，和原石拱橋按照可變比例系數(shù)α承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載。可適應(yīng)石拱橋不同的技術(shù)狀況等級(jí)，可用于不同橋齡和不同地區(qū)的石拱橋。

18、3.新舊結(jié)合型基礎(chǔ)協(xié)同承受石拱橋的推力，新澆筑的n.c.混凝土基礎(chǔ)設(shè)置有預(yù)埋件，預(yù)埋件鋼筋和原石拱橋錨筋之間采用機(jī)械螺紋連接，原有基礎(chǔ)利用率高，可大大節(jié)省造價(jià)。

19、4.新拱圈外單元和定位角鋼均設(shè)置有f1涂層，鋼筋設(shè)置有f2涂層；必要時(shí)對(duì)石拱橋拱腳基礎(chǔ)地基層進(jìn)行注漿、護(hù)坡和防沖刷處理。提供的耐久性措施可以合理延長(zhǎng)石拱橋的使用壽命。

20、5.新拱圈結(jié)構(gòu)外單元既是臨時(shí)結(jié)構(gòu)又是永久結(jié)構(gòu)。波紋鋼板在施工階段可做為模板使用，澆筑uhpc后形成整體結(jié)構(gòu)，在運(yùn)營(yíng)階段和是新拱圈永久結(jié)構(gòu)的一部分。