多梁式桥梁拓宽加固设计增量荷载平衡法

摘要

本发明涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及多梁式桥梁拓宽加固设计增量荷载平衡法，包括步骤S1，忽略加固后桥梁的尺寸变化、加固部分的纵梁数、横梁对原桥梁荷载横向分布的影响；S2，求出原桥梁的各个主梁最不利荷载时列阵{P

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及多梁式桥梁拓宽加固设 计增量荷载平衡法。

背景技术

近年来，一些道路上很多桥梁因结构损伤、材料老化或荷载等级 提高等原因导致承载力不足，于是需对这些桥梁进行维修加固以提高 其承载力。常见的维修加固方法有换梁、体外预应力加固法、粘贴碳 纤维加固法、粘贴钢材加固法、补强桥面层加固法、锚喷加固法、增 强横向联系的加固法及更改结构受力体系的加固法等等。然而，这些 加固方法存在需要拆除旧桥，施工工期长，费用高及不利于环境保护 等问题。为解决上述问题衍生出了纵横梁拓宽加固法，有效的解决了 这些问题。纵横梁拓宽加固法是指在多梁式的旧桥中，在既有桥梁两 侧新建两片刚度相对较大的主梁，并在原有主梁跨中截面底部新建一 片与原有主梁连接紧密横梁，横梁端部支撑在新建主梁上，新建的纵、 横梁对原有主梁形成一个“支撑”体系，从而实现对旧桥的加固。该 纵横梁拓宽加固法在使用时需要衡量加固部分的安全性，以确保及加 固部分的刚度能满足结构的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提出一种检验纵横梁加固法中加固部分的刚度 能否满足要求的方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多梁式桥梁拓宽加固 设计增量荷载平衡法，其特征在于：包括步骤S1，忽略加固后桥梁 的尺寸变化、加固部分的纵梁数、横梁对原桥梁荷载横向分布的影响； S2，求出原桥梁的各个主梁最不利荷载时列阵{P_1i}及相应的挠度{f_i}； S3，计算拓宽加固后桥梁各个主梁的所需承载的荷载阵列{P_i}；S4， 计算{ΔP_i}及{f_i'}，其中ΔP_i＝P_i-P_1i，f_i'是荷载ΔP_i作用在新增加固部分 上ΔP_i作用点处的挠度；S5，判断，若{f_i'}≤{f_i}(i为小于或等于n的 正整数，n为原桥梁中主梁的数量)，则加固设计满足要求；若{f_i'}>{f_i}, 则不符合设计要求，则需重新设计。

其中，所述f_i为原桥梁的主梁的跨中截面的挠度。

其中，所述步骤S5中，若{f_i'}>{f_i}，重新设计之后需再次重复 S1、S2、S3、S4和S5的步骤，直至求出加固部分的尺寸的合理值。

其中，所述荷载P_1i、P_i及ΔP_i均为广义力.

其中，所述荷载P_1i、P_i及ΔP_i均为轴力、剪力或弯矩。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明利用计算原桥梁中 各个主梁的最不利荷载，可以求出原桥梁中各主梁跨中截面所能产生 的变形的最大尺寸，也就是原桥梁所产生的最大挠度f_i，通过计算拓 宽后结构中各个主梁所承受的最不利荷载，确定加固部分为每片主梁 所分担的荷载，从而求出拓宽加固部分的挠度f_i'，比较f_i'和f_i的大小， 检验拓宽加固部分结构的刚度是否符合要求，该检验方法思路清晰， 简单可行，减少了验算步骤，为确定多梁式桥梁采用纵横梁拓宽加固 法进行加固过程中加固部分的合理尺寸提出了良好的平衡方法。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的单主梁桥梁拓宽加固后在最不利荷 载下的受力计算简图；

图2是本发明实施例1提供的单主梁桥梁拓宽加固前在最不利荷 载下的受力简图；

图3是图1中原主梁的等效受力图；

图4是本发明实施例1提供的单主梁桥梁拓宽加固部分的受力简 图；

图5是本发明实施例2提供的多主梁桥梁拓宽加固前主梁在最不 利荷载作用下的受力简图；

图6是本发明实施例2提供的多主梁的桥梁拓宽加固后的结构在 “新”的最不利荷载下的受力简图；

图7是图5中既有主梁的等效受力图；

图8是本发明实施例2提供的多主梁桥梁拓宽加固部分的受力简 图；

图9是本发明实施例2的流程图。

图中：10：主梁；20：加固纵梁；30：加固纵梁；40：加固横梁； 50：主梁；60：加固纵梁；70：加固纵梁；80：加固横梁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

本发明提供了一种多梁式桥梁拓宽加固设计增量荷载平衡法，在 计算中忽略加固后的结构尺寸及加固梁的数量对原桥梁荷载横向分 布的影响；建立多梁式桥梁拓宽加固后的理想的受力简图，

在阐述多梁式拓宽结构确定刚度合理性的方法之前，先利用单梁 式桥梁的拓宽结构来简要说明衡量依据，

实施例1

如图2所示，一座只有一片主梁10的桥梁，其现有的承载能力 不能满足使用要求，为此采用纵横梁加固法对该主梁进行加固。

首先建立单主梁的桥梁的受力简图，当需要桥梁的承受最不利荷 载P大于原桥梁所能承受的最不利荷载P₁时，则采用纵横梁拓宽加固 法来加固桥梁，如图1所示，AB为原桥梁的主梁10，A₁B₁为在原桥 梁基础上新建的加固纵梁20，A₂B₂为在原桥梁基础上新建的加固纵 梁30，C₁C₂为新建的加固横梁40，其中C₁C₂设在AB的中间位置， 对AB起到支撑作用。

原桥梁的主梁10的实际能承受的最不利荷载为P₁，但作用在主 梁上的最大荷载为P(P≥P₁)，为此，加固部分需给主梁10提供大小 为ΔP的承载能力，即：

ΔP＝P-P₁(1)

P：桥梁所需承载的荷载；

P₁：桥梁的剩余极限荷载；

ΔP：加固部分分担的荷载；

以上P、P₁和ΔP均为广义力，通常为轴力、剪力及弯矩。

加固部分实际分担的荷载如果小于ΔP，将达不到加固的效果； 加固部分实际分担的荷载过度大于ΔP，加固效果满足要求，但将造 成材料的浪费；为此，需准确的确定加固部分分担的荷载ΔP，如图2 所示，原桥梁的结构中C截面(跨中截面)在最不利荷载P₁的作用下， 主梁10在C截面的挠度为f⁰，参照式(1)可知，图3的结构与图2 的结构等效，即当桥梁收到大小为P的荷载时，需要在C点施加一 个向上荷载ΔP，才能保证桥梁的安全，ΔP也就是加固部分对原桥梁 提供的支撑力，如图3所示，在P和ΔP的作用下，原桥梁跨中截面 的挠度为f，根据牛顿第三定律可知，主梁10对加固部分施加一个 向下、大小为ΔP的荷载，此时，加固部分在C点的挠度为f_i'，f_i'＝f<f⁰时，加固效果才满足要求。

确定加固部分的合理刚度的步骤为：

1)建立原桥梁的在最不利荷载下的受力简体，如图2所示，求 出主梁10的最不利荷载P₁，及最不利荷载P₁作用下的挠度f⁰，由于 最不利荷载为广义力。

P₁＝(1+μ)ξ(mpy+∑mqΩ)；

式中：μ为冲击系数；

ξ为折减系数；

m为主梁10的横向分布系数，m＝1；

p为桥梁设计荷载中车道荷载的集中力；

q为桥梁设计荷载中车道荷载的均布荷载；

y为主梁10集中力p所对应的影响线竖标值；

Ω为主梁10影响线的面积；

2)，建立“新”荷载等级下的受力简图，如图1所示，确定“新” 的荷载等级下主梁10所需承载的荷载P；

3)计算ΔP与f_i'；

4)判断，若f_i'≤f⁰，则加固部分的设计满足要求，否则重新设计。

实施例2

本实施例与实施例1相似，其中实施例1为本实施例提供理论依 据，二者的不同之处在于在本实施例中桥梁为多主梁式，如图9所示， 在计算多主梁式桥梁加固后的刚度是否符合要求时，包括步骤S1， 首先不考虑加固后的桥梁的结构尺寸、加固部分的横梁数、纵梁数对 原桥梁的主梁的荷载的横向分布间的影响。

依据上述假定，如图5和图6所示，在使用荷载P_i的作用下，桥 梁的最不利荷载P_1i不能满足要求，为此采用纵横梁加固法来加固原桥 梁，如图6所示，A_iB_i为原桥梁的多条主梁50，A₁B₁为原桥梁两侧加 固纵梁60，A₂B₂为原桥梁两侧加固纵梁70，C₁C₂为加固横梁80，其 中C₁C₂设在A_iB_i的中间位置，对A_iB_i起到支撑作用。

S2，求出原桥梁的各个主梁50的最不利荷载时的广义力阵列 {P_1i}，即建立原桥梁的在最不利荷载下的受力简图，如图5所示，图 7是图5的等效受力图，先求出荷载横向分布系数，然后求出最不利 荷载的广义力列阵{P_1i}及在最不利荷载下的挠度阵列{f_i}，f_i为第i 号主梁50的计算截面的挠度；在本发明中的计算截面为各个主梁的 跨中截面；

其中

P_li＝(1+μ)ξ(m_ip'y+∑m_iq'Ω)

式中：μ为冲击系数；

ξ为折减系数；

m_i为第i号主梁50的横向分布系数；

p'为桥梁原设计荷载中车道荷载的集中力或考虑材料性能衰退 所能承担的最不利荷载；

q'为桥梁原设计荷载中车道荷载的均布荷载；

y为第i号主梁50集中力p'所对应的影响线竖标值；

Ω为第i号主梁50影响线的面积；

挠度按下式计算

$f_i=\alpha \frac{P_{1i}{l}_i^n}{E_c^i{I}_0^i}$

式中：α为挠度系数，与弯矩图形及支承的约束条件有关；

P_1i为第i号主梁50计算截面的最不利荷载；

l_i为第i号主梁50的计算跨径；

为第i号主梁50的混凝土的弹性模量；

为第i号主梁50计算截面的惯性矩；

n为参数，依据P_1i不同的表现形式采用不同的取值；

S3，建立“新”荷载等级下的各个主梁50的受力简图，如图6 所示，确定“新”荷载等级下主梁50所需的最不利荷载列阵{P_i}，即 拓宽后桥梁的各个主梁50所需承载的荷载，在本发明中，荷载P_1i、P_i及ΔP_i均为广义力，荷载P_1i、P_i及ΔP_i均为轴力、剪力或弯矩，在很实 施例中，为便于计算，使荷载P_i以弯矩的形成表现，即：

P_i＝M_i＝(1+μ)ξ(m_ipy+∑m_iqΩ)

式中：μ为冲击系数；

ξ为折减系数；

m_i为第i号主梁50的横向分布系数；

p为桥梁设计荷载中车道荷载的集中力；

q为桥梁设计荷载中车道荷载的均布荷载；

y为第i号主梁50集中力p所对应的影响线竖标值；

Ω为第i号主梁50影响线的面积；

S4，计算列阵{ΔP_i}及{f_i'}，其中ΔP_i＝P_i-P_1i，ΔP_i为加固部分所需 分担的荷载，f_i'是在荷载ΔP_i作用在加固部分的“H”型结构上ΔP_i作 用点处的挠度，建立加固部分的理想的受力简图，如图8所示，加固 部分为H形结构，包括两根纵梁60、70和一根横梁80，由力学的知 识可以判断出此结构为超静定结构，利用图乘法或者有限元方法计算 ΔP_i作用点处的挠度阵列{f_i'}。

S5，判断，若{f_i'}≤{f_i}(i为小于或等于n的正整数，n为加固部 分跨主梁50的数量，即要求每根主梁50均满足此判断要求)，加固 设计满足要求，此时需对加固部分的尺寸进形优化得到最优值，否则 重新对加固部分的尺寸进行设计，重新设计后的加固部分需再次进行 刚度的衡量，即重复上述步骤，直到得到加固部分的尺寸的最优值。

综上所述，本发明提供的多梁式桥梁加固设计增量荷载平衡法通 过对拓宽后的加固部分的挠度与原桥梁在极限荷载下的主梁的挠度 进行比较，验证加固后的桥梁的刚度是否合理，如果合理则进一步对 计算结果进行优化，可以求出加固部分的尺寸的最优值，如果刚度不 合理则需重新设计，直到得到加固部分的尺寸的最优值，该方法简单 易行，为检验加固桥梁的刚度提供了很好的衡量依据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。