碳纤维约束钢管混凝土加固空腹拱桥主拱圈及其施工方法

摘要

本发明涉及桥梁加固技术领域，特别是涉及碳纤维约束钢管混凝土加固空腹拱桥主拱圈及其施工方法。本发明所述的纤维约束钢管混凝土加固空腹拱桥主拱圈及其施工方法包括设置在立柱之间沿顺桥方向平行布置于拱圈顶面的一排钢管拱圈层，将钢管拱圈与原主拱圈包裹在一起的纤维缠绕层，以及所设于主拱圈底面的沿桥梁长度方向铺设的单向碳纤维布层；所述钢管拱圈由多根布置在同一轴线上位于不同立柱间空腹段主拱圈顶面的钢管混凝土组成；所述钢管两端根部通过预设在拱圈两端相邻结构部件上的预埋钢筋连接。本方法既摆脱了传统拱底施工方法存在的作业条件差问题，且新增结构层的结构效率较高，同时具有不破坏原拱底结构特征的特点，具有较广的适用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁加固技术领域，特别是涉及一种针对上承式空腹混凝土拱桥的主拱圈加固方法。

背景技术

近年来，我国有大量桥梁已进入维护期，存在大量桥梁结构加固需求，其中建设年代较早的下承式空腹拱桥是最常见的待加固桥型之一。

在进行这种类型的桥梁加固设计时，最常采用的加固方式是主拱圈增大截面法，主要分为两类：主拱圈背面加固和主拱圈底面加固，其中主拱圈底面加固法因其受力清晰，不会因分段施工所造成的新增结构部分未形成承载能力前，拱上施工荷载增大对已出现严重压力线偏移的结构部分引发严重拱圈结构安全隐患，从而适用范围更广，成为目前最主流的上承式空腹拱桥主拱圈加固方法。然而，这种方法存在四点技术问题需要解决：

（1）新增加的结构部分存在明显的应力滞后效应，新结构部分结构效率低；

（2）存在原主拱圈与新结构部分的界面问题，对施工质量提出了较高的要求；

（3） 因主拱底面增加截面法的整个施工段均为反角度施工，对施工组织提出了较高的要求，存在措施费高且施工周期长的问题；

（4）另外，在上承式空腹拱桥中存在一种我国特有的，具有较高历史保护价值的细分桥型-双曲拱桥，这种桥型的主拱圈背面设有横纵双向肋以及曲面波拱，这构成了其主要特征，也是其历史保护性的重点之一。因此，主拱底面增加截面方法不能做到在兼具文化保护的同时进行桥梁加固。且这种桥型，因其原设计承载能力低和已服役时间较长，大多存在加固需求。

值得说明的是，近二十年来，粘贴碳纤维加固技术，因其施工简便，抗拉承载力提升明显，易于随型，同时还具有一定的高耐久性，已得到了广泛应用，但在拱桥加固中，由于粘贴碳纤维加固技术主要用于抗拉加固领域，与主拱圈这种典型小偏心受压构件加固以调整拱圈压力线为最终目标的技术需求存在明显不同。因此，大多数情况下仅作为拱圈加固的辅助修补手段，应用于拱圈中局部裂缝区域修补或弯矩较大部位的抗弯承载力提升。

在这种情况下，原已逐渐较少采用的加固技术——拱背面加固法，因其更易保证新旧界面结合问题，同时由于新结构部分的自重作用，应力滞后效应相对较弱，新增结构部分效率较高，且施工面为正角度，作业面条件更好，另外还兼具不破坏主拱圈底面原有结构形式的文物保护属性，再次得到关注。因此，如能提出一种基于拱背面加固法原理，通过施工措施调整，在较好的解决分段施工荷载，易造成原拱圈上已受损关键结构断面的失稳问题，同时采用更便捷的施工措施辅助，将有效推动桥梁加固施工技术进步，也将为我国工程建设类文物保护提供重要的技术手段。

发明内容

本发明旨在提出一种碳纤维约束钢管混凝土主拱圈加固体系及其施工方法。

解决的技术问题是：传统拱底施工方法存在拱底施工难问题，新旧结构界面结合问题以及新增结构的结构效率问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种碳纤维约束钢管混凝土拱圈加固体系，包括沿顺桥方向布置平行布置于拱圈顶面且设置在立柱之间的一排钢管拱圈，将钢管拱圈与原主拱圈采用与拱桥径向小于10°夹角方向包裹在一起的单向碳纤维布，以及原主拱圈底面所设的沿桥梁长度方向铺设的单向碳纤维布；所述钢管拱圈由多根布置在同一轴线上位于不同立柱间空腹段主拱圈顶面的钢管混凝土段组成；所述钢管两端根部通过预设在拱圈两端相邻结构部件上的预埋钢筋连接。

优选的技术方案，所述的一种碳纤维约束钢管混凝土拱圈加固体系的施工方法，包括以下步骤，

步骤一，在拱圈顶面安装护栏，并清理拱圈顶面，修补既有缺陷保证平整度；

步骤二，在拱圈底面安装施工吊篮，并清理拱圈底面，修补既有缺陷保证平整度；

步骤三，在拱圈底面粘贴碳纤维布，碳纤维布为单向布，纤维粘贴方向与桥梁长度方向相同，并在立柱支撑区域、拱圈与主梁融合的跨中区域以及拱脚区域，增加碳纤维布粘贴层数；

步骤四，钢管拱圈施工；

S1，首先，沿拱圈顶面长度方向中线，铺设第一钢管拱圈，具体步骤如下：

a. 在第一钢管拱圈两端接触的桥梁竖向构件根部位置，植入锚固钢筋，并保留足够的锚固长度和钢筋根数；

b. 在第一钢管拱圈的预制钢管分段放入相应位置，应与预留钢筋连接；

c. 同时对第一钢管拱圈所涉及各个分段预制钢管通过其上所涉的浇筑孔对其其内部浇筑混凝土；

d. 当预制钢管上所设浇筑孔，出现持续冒浆后停止灌浆，灌浆过程中注意混凝土降温和振捣；

e. 当第一根钢管拱圈内的混凝土达到初始强度后，封闭其上浇筑孔，并开始与之相邻的左右两根钢管拱圈的安装，具体步骤重复步骤a至步骤e；

S2，在完成所有钢管拱圈的施工后，通过两根相邻立柱之间的空腹对其进行环向缠绕，缠绕选用连续单向纤维布，同时缠绕角小于桥梁径向±10°，缠绕层数不小于两层。

优选的技术方案，所述钢管混凝土拱圈由分置于相邻立柱之间空腹段内的多根空心钢管拱段组成，其中轴线平面相同的多根空心钢管拱段构成一根完整的钢管混凝土拱圈，其中轴线平面位于拱圈顶面长度方向中线上的首根钢管拱圈称为第一钢管拱圈。

优选的技术方案，所述预制钢管为长度等于空腹段长度，且立面方向起拱，同时曲率与拱圈顶面曲率相同。

优选的技术方案，所述预制钢管上设有用于浇筑的一排沿预制钢管顶面中线设置且沿长度方向均匀间隔布置的一排浇筑孔。

优选的技术方案，所述预制钢管上两端内部设有用于固定锚固钢筋的端板。

优选的技术方案，所述碳纤维为含有碳纤维的纤维增强树脂基复合材料。

优选的技术方案，所述预制钢管的两端与既有结构部件的接触面设有弹性密封环。

优选的技术方案，所述预制钢管下侧内表面设有多道沿其长度方向的纵向肋。

优选的技术方案，所述钢管混凝土拱圈内混凝土浇筑方式，为每次仅浇筑组成一根完整钢管混凝土拱圈的多根空心钢管，且多根同时浇筑；之后当上一根浇筑的钢管混凝土拱圈达到结构强度后，再浇筑下一根钢管混凝土拱圈，之后以此类推。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

1，通过以下四种施工措施降低了拱背面增大截面法的施工风险，保证了该施工方法的结构安全性；

a、拱上面施工前，采用施工简便的粘贴碳纤维加固方法，对薄弱面进行抗弯承载力提升加固，可有效降低施工荷载对薄弱截面的影响；

b、拱上面增加新结构时，沿拱圈长度方向将拱圈分割为数个纵向段，逐段施加施工荷载，避免了采用仅在拱底或跨中某一段区域内施加较为集中的施工荷载而引起的结构安全隐患；且在一个纵向段的新增结构具有一定承载能力后，再进行下一个纵向段施工，从而实现了在降低施工荷载的同时，沿拱圈纵向逐级调整拱圈压力线的效果，进而达到恢复或提高拱圈承载能力的最终目的；

c、采用拱圈上面先铺设带肋空心钢管拱段后，再浇筑混凝土，实现了在降低一次性拱上面施工荷载的同时，通过带肋空心钢管拱段两端与既有结构的连接，起到了拱上面临时支撑的作用，在部分恢复拱圈承载力的同时，为下一步内部浇筑混凝土提供了一定的承载力储备；

d、采用在拱上面钢管混凝土施工完成后，粘贴碳纤维法对钢管混凝土和原拱圈进行横向缠绕，通过约束效应在提高了各纵向段之间横向连接的同时，还提高了新旧结构共同抗弯，进而实现了恢复或提高拱圈压力线的最终目标；

2，所采用的带肋空心钢管拱段，还起到了免施工模板的作用，再利用拱上面施工有利的条件基础上，还进一步降低了施工组织难度；

3，通过拱圈底面薄弱截面粘贴碳纤维提升局部抗弯承载力施工和横向约束缠绕碳纤维布施工，还是起到了利用粘贴碳纤维加固法所特有的良好耐久性，实现了对拱圈的耐久性加固；

4，利用粘贴碳纤维加固技术随型好的特点实现了不破坏拱圈特征部位的属性，适用于拱底带肋的拱桥加固，使这种施工方法具有更为广阔的应用范围。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的所述加固体系效果示意图。

图2是本发明的拱圈顶面搭设第一根钢管效果图。

图3是本发明的拱顶完成所有钢管铺设后的效果示意图。

图4是本发明的拱圈完成纤维缠绕层的效果示意图。

图5是本发明的钢管示意图。

图6是本发明的钢管截面示意图。

图7是本发明的弹性密封环示意图。

其中图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为。

附图标记：1、主拱圈，2、立柱，3、碳纤维布，4、钢管，5、混凝土，6、纤维缠绕层，7、钢筋，41、纵向肋，42、环向肋，43、浇筑孔，421、钢筋孔，422、弹性密封环。

具体实施方案

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明提供了碳纤维约束钢管混凝土加固空腹拱桥主拱圈，包括沿顺桥方向布置平行布置于主拱圈1顶面且设置在立柱2之间的一排钢管4拱圈，将钢管4拱圈与原主拱圈1采用与拱桥径向小于10°夹角方向包裹在一起的单向碳纤维缠绕层6，以及原主拱圈1底面所设的沿桥梁长度方向铺设的单向碳纤维层3；所述钢管4拱圈由多根布置在同一轴线上位于不同立柱2间空腹段主拱圈1顶面的钢管4混凝土5段组成；所述钢管1两端根部通过预设在拱圈两端相邻结构部件上的预埋钢筋7连接。

本实施例中，所述的碳纤维约束钢管混凝土加固空腹拱桥主拱圈的施工方法，包括以下步骤，

步骤一，在主拱圈1顶面安装护栏，并清理顶面，修补既有缺陷保证平整度；

步骤二，在主拱圈1底面安装施工吊篮，并清理拱圈底面，修补既有缺陷保证平整度；

步骤三，在主拱圈1底面粘贴碳纤维布3，碳纤维布3为单向布，纤维粘贴方向与桥梁长度方向相同，并在立柱2支撑区域、主拱圈1与主梁融合的跨中区域以及拱脚区域，增加碳纤维布3粘贴层数；

步骤四，钢管4拱圈施工；

S1，首先，沿主拱圈1顶面长度方向中线，铺设第一钢管4拱圈，具体步骤如下：

a. 在第一钢管4拱圈两端接触的桥梁竖向构件根部预留的环向肋41，植入锚固钢筋7，并保留足够的锚固长度和钢筋根数；

b. 在第一钢管拱圈的预制钢管分段放入相应位置，应与预留钢筋连接；

c. 同时对第一钢管4拱圈所涉及各个分段预制钢管4通过其上所涉的浇筑孔43对其其内部浇筑混凝土5；

d. 当预制钢管上所设浇筑孔43，出现持续冒浆后停止灌浆，灌浆过程中注意混凝土5降温和振捣；

e. 当第一根钢管4拱圈内的混凝土5达到初始强度后，封闭其上浇筑孔43，并开始与之相邻的左右两根钢管4拱圈的安装，具体步骤重复步骤a至步骤e；

S2，在完成所有钢管4拱圈的施工后，通过两根相邻立柱2之间的空腹对其进行环向缠绕，缠绕选用连续单向纤维布，同时缠绕角小于桥梁径向±10°，缠绕层数不小于两层。

本实施例中，所述的钢管4混凝土5拱圈由分置于相邻立柱之间空腹段内的多根空心钢管4拱段组成，其中轴线平面相同的多根空心钢管4拱段构成一根完整的钢管4混凝土5拱圈，其中轴线平面位于拱圈顶面长度方向中线上的首根钢管4拱圈称为第一钢管4拱圈。

本实施例中，所述的预制钢管4为长度等于空腹段长度，且立面方向起拱，同时曲率与主拱圈1顶面曲率相同。

本实施例中，所述的预制钢管4上设有用于浇筑的一排沿预制钢管4顶面中线设置且沿长度方向均匀间隔布置的一排浇筑孔43。

本实施例中，所述的预制钢管4上两端内部设有用于固定锚固钢筋7的环向肋42，且环向肋设有用于钢筋7连接的钢筋孔421。

本实施例中，所述的碳纤维层3为含有碳纤维的纤维增强树脂基复合材料。

本实施例中，所述的预制钢管4的两端与既有结构部件的接触面设有弹性密封环422。

本实施例中，所述的预制钢管4下侧内表面设有多道沿其长度方向的纵向肋41。

本实施例中，所述的钢管4混凝土5拱圈内混凝土5浇筑方式，为每次仅浇筑组成一列完整钢管4混凝土5拱圈的多根空心钢管4，且多根同时浇筑；之后当上一根浇筑的钢管4混凝土5拱圈达到结构强度后，再浇筑下一列钢管4混凝土5拱圈，之后以此类推。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本专利的技术方案或发明构思之内所作的任何修改或替换，都应属于本专利的保护范围。