预应力折线形铰接钢拱加固拱桥设计参数优化研究

摘要

拱桥结构是公路交通的重要组成部分，拱桥病害诊治与加固对提升路网运输能力、社会运行效率具有重要作用。拱桥加固技术分为被动加固与预应力主动加固两类，加固设计必须考虑分阶段受力，预应力主动加固对新1日结构共同受力、减少应变滞后、提高材料利用效率等有重要意义，开展预应力折线形铰接钢拱加固拱桥设计参数优化研究对实现拱桥预应力加固可设计具有重要理论意义与工程价值。
　　本文以拱桥加固参数试验研究为基础，结合大量有限元分析统计，对预应力折线形铰接钢拱加固技术，从加固效果评价指标与加固设计参数两个方面进行了定性与定量研究，主要研究内容包括:
　　(1)预应力折线形铰接钢拱主要从改善主拱圈压力线与拱轴线重合程度、恒载下主拱圈预变形等角度实现拱桥加固，加固过程对主拱圈卸载，从而主动闭合主拱圈结构性裂缝，充分利用主拱圈自身承载潜力，提高拱桥承载能力，因此该加固技术特别适用于成桥线形不佳、再次加固或需临时超载通行的拱桥。
　　(2)结合拱桥加固受力特点，基于加固目的与约束条件，进行了大量有限元计算，推导、分析了控制截面关键指标、弯曲应变能、偏心距积分面积、最大偏心距、控制截面挠曲回升效率等拱桥加固效果评价指标与加固设计主要参数关系及各指标适用范围，分析显示四段式折线形铰接钢拱加固拱桥两侧铰座对称布置在接近未加固状态主拱圈正弯矩峰值截面时加固效率较高，继而引出了加固临界顶推力概念，加固顶推超过临界顶推力对拱桥承载不利。
　　(3)基于前述加固效果评价指标与主要加固设计参数相关关系进行了圬工拱桥加固探索试验，以杠杆法配重模拟拱上建筑恒载，设计三组正交试验，分析了控制截面应变、挠度与铰座数量、铰座位置、拱脚段压杆顶推力等主要加固设计参数关系。提出可通过控制截面回升效率指标优化布置铰座，使铰座数量、铰座位置与主拱圈线形相适应，可通过恒、活载作用下加固效果评价指标与顶推力关系曲线优化顶推力，改善主拱圈受力状态。试验实测应变、挠度等数据变化规律与有限元分析基本一致，提出整体加固设计应结合几何分析与力学分析进行。
　　(4)理论推导了预应力折线形铰接钢拱加固技术的摩擦损失与锚固变形损失计算公式，结合加固试验实测压杆应变数据，对比分析了摩擦损失与压杆轴力、摩擦系数、轴力传入/传出角度等参数相关关系，建议通过垫板、润滑剂等措施降低摩擦系数以减少铰座摩擦损失。
　　(5)根据试验方案建立有限元非线性静力分析模型，分析、验证了主拱圈开裂荷载因子、塑性发展过程、拱桥承载能力与铰座数量、铰座位置、顶推力等加固设计主要参数关系，分析表明加固设计应重视拱腹与墩台表面的连接性能，顶推千斤顶反力应远离拱脚以避免产生应力集中带，综合比较分析表明拱顶回升效率指标能较好反映预应力折线形铰接钢拱的整体加固效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 拱桥主动加固研究现状

1．2．1 拱桥加固效果评价指标研究现状

1．2．2 预应力主动加固拱桥技术研究现状

1．3 本文主要研究内容及章节安排

1．3．1 本文主要研究内容与研究方法

1．3．2 本文章节安排

第二章 预应力折线形铰接钢拱加固拱桥技术

2．1 概述

2．2 拱桥受力特点与发展简述

2．3 拱桥常见病害与加固对策分析

2．4 拱桥加固原则

2．5 预应力折线形铰接钢拱加固形式与加固原理

2．5．1 预应力折线形铰接钢拱加固形式

2．5．2 预应力折线形铰接钢拱加固原理

2．6 预应力折线形铰接钢拱加固特点与适用分析

2．7 本章小节

第三章 拱桥加固效果评价指标研究

3．1 概述

3．2 控制截面关键指标

3．3 弯曲应变能指标

3．4 偏心距整体效果指标

3．5 挠度、裂缝与承载能力指标

3．6 本章小结

第四章 铰座布置与顶推力优化研究

4．1 概述

4．2 试验方案设计

4．3 试验过程分析

4．4 试验数据分析

4．5 本章小结

第五章 预应力加固损失优化分析

5．1 概述

5．2 预应力损失研究方法

5．3 摩擦与锚固损失分析

5．3．1 摩擦损失

5．3．2 锚固变形损失

5．4 摩擦损失试验分析

5．5 本章小结

第六章 拱桥加固裂缝发展与承载能力优化分析

6．1 概述

6．2 拱桥非线性静力分析

6．3 裂纹发展分析

6．4 极限承载能力分析

6．5 评价指标比较

6．6 本草小结

第七章 总结与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果