采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法技术领域
本发明属于交通运输业桥涵工程中的桥梁加固技术领域，尤其涉及一种采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法。
背景技术
混凝土刚构桥具有单位造价低、施工方便等优点，在我国中等跨径桥梁建设中占有重要地位，但受混凝土的长期收缩徐变影响，随着使用年限的增加，刚构桥的跨中下挠问题将越发突出，由此引发的刚构桥预应力松弛、腹板开裂加剧等病害严重危及桥梁的安全与使用性能。上承式悬索桥是美籍华人林同炎先生发明的一种桥梁结构，具有结构受力合理、承载能力大等特点，在100-300m的中等跨径桥梁建设领域具有较强的竞争力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法，以起到对刚构桥原有结构卸载的作用，大幅提高刚构桥的整体刚度，减小由于长期收缩徐变而发展迅速的跨中挠度。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法，通过引入矮塔-上承式悬索桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。
上述采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法，在刚构桥中跨下翼缘安装钢横梁与多个高度不等的钢爪字型支承结构，支承结构下端为拉索转向固定装置；在刚构桥的墩顶横隔板处加浇筑倾斜立柱与横梁，倾斜立柱与横梁通过栓钉或植筋与刚构桥墩顶横隔板连接，共同形成上部矮桥塔的基座，在墩顶截面的该基座上设置矮桥塔，在矮桥塔中设置散索孔道；根据拉索的预设形状，在刚构桥下翼缘底板上钻孔形成拉索孔道，在上翼缘a8上设置拉索孔道；将中跨钢绞线拉索a1穿过拉索孔道、拉索转向装置，将中跨钢绞线拉索a1通过散索孔道锚固在矮桥塔上，并施加设计索力N1；将边跨钢绞线a2穿过边跨上翼缘板拉索孔道，分别锚固在矮桥塔与主梁齿块a3上，并施加设计预应力Fi。
中跨钢绞线拉索a1施加的设计预应力N1与边跨钢绞线设计预应力Fi的关系为：
N
1
s
i
n
α
=
Σ
i
F
i
sinβ
i
]]>
式中，α为中跨预应力钢绞线拉索a1锚固段与垂直方向的夹角；βi为各边跨预应力钢绞线a2与垂直方向的夹角。
钢爪字型支承结构由多根斜杆构成，每个钢爪字型支承结构的斜杆总截面面积∑AGi应满足下式要求，且每根支撑杆件应满足受压杆件的稳定性要求；
Σ
i
AG
i
cosω
i
>
K
1
×
FG
i
]]>
式中，AGi为每个钢爪字型支承结构的任意斜杆截面面积，ωi为任意斜杆与水平面的夹角，K1为安全系数，FGi为钢绞线拉索a1对钢爪字型支承结构的反作用力，FGi表达式为：
FGi＝FGi-1,i-FGi,i+1
FG
i
-
1
,
i
=
N
1
×
y
i
-
1
-
y
i
x
i
-
1
-
x
i
]]>
FG
i
,
i
+
1
=
N
1
×
y
i
-
y
i
+
1
x
i
-
x
i
+
1
]]>
式中，FGi-1,i和FGi,i+1分别为支撑点左右两边的竖向力，N1为跨中拉索a1的设计预应力值，yi和xi为点i的横、竖坐标值。
跨中钢绞线拉索a1形成的形状为内切于悬链线或抛物线的折线，并使支撑段长度为中跨跨径长度的0.45-0.55倍之间。
中跨钢绞线拉索、边跨预应力钢绞线的设计容许应力水平为0.4倍的钢绞线屈服应力fspk。
跨中的钢拉索a1为整束的平行钢丝拉索或钢绞线拉索。
跨中钢绞线拉索为多根，采用多个钢结构爪字型支承结构在桥梁横向进行布置，或采用能同时布置多根拉索的转向固定装置。
矮桥塔的中跨拉索锚固点到桥面的高度b1与主跨跨径l长度的比例取为2/50～3/50，矮桥塔距桥面的高度为中跨拉索锚固点到桥面高度b1加1～2m，主跨钢束的最低点离桥面高度b2与主跨长度的比例取为1/15～1/20，使跨中上承式拉索的矢跨比取为1/11～1/9，即满足下式：
b
1
+
b
2
l
=
(
1
11
~
1
9
)
.
]]>
矮桥塔在横桥向的宽度小于1～1.2m，并设置纵向中心分隔带a9。
针对刚构桥长期下挠与开裂缺乏有效加固措施的问题，发明人大胆提出将矮塔-上承式悬索桥结构体系用于加固设计中，从而建立了一种采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法，通过引入矮塔-上承式悬索桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。该法具有以下主要优点：
a.与普通的体外索方法相比，该法体外索的矢跨比大，从而使体外索的效率显著提升，加固性能好，可以大幅提高刚构桥的刚度，改善跨中下挠问题。
b.结构简单、计算简便，施工快捷、经济性能好，无需增设基础。
c.引入了拉索体系加固后的桥梁线条独特，提升了桥梁的景观效果。
总之，应用本发明的刚构桥加固方法可大大改善刚构桥的长期下挠问题，提高刚构桥的承载能力与结构耐久性，具有很好的工程推广价值。
附图说明
图1是本发明采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法的总体布置示意图。
图2是本发明方法中钢爪型支承结构的钢架布置示意图。
图3是本发明方法中中跨是单根钢拉索的转向固定装置示意图。
图4是本发明方法中中跨是两根钢拉索的转向固定装置示意图。
图5是本发明方法中刚构桥墩顶箱室与矮桥塔布置示意图。
图6是本发明方法中的索塔锚固区域布置示意图。
图7是应用本发明的跨径90m+160m+90m刚构桥跨中爪型支承结构支撑的刚构桥梁段示意图。
图8是跨中支撑段范围内重量变化比率引起的收缩徐变变化比率关系图。
图中：1下翼缘钢横梁；2钢爪字型支承结构，21斜杆；3拉索转向固定装置，31穿过转向装置3的拉索钢绞线，32转向固定结构3的高强螺丝，33转向固定结构3上的纵向加劲肋，34转向固定结构高强螺栓连接板，35圆形索体包管，36斜杆与固定转向装置3连接部位的局部加劲肋，37固定转向装置3的圆弧型外包钢管，38转向固定结构3上的纵环向加劲肋,39转向装置之间的连接构件，39a转向装置连接构件顶板，39b转向装置连接构件的横加劲肋，39c转向装置连接构件的腹板，39d转向装置连接构件的底板；4墩顶横隔板；5墩顶后浇筑立柱；6墩顶后浇筑横梁；7矮塔；8散索孔道，81散索孔道锚固端的抗压横向钢筋；9刚构桥混凝土下翼缘底板；10下翼缘底板中的拉索孔道；11中跨钢绞线拉索在上翼缘板中的拉索孔道；12边跨拉索在上翼缘中的孔道；a1中跨拉索；a2边跨拉索；a3边跨拉索下翼缘主梁齿块；a4刚构桥腹板；a5刚构桥桥墩；a6刚构桥上翼缘板，a7后置桥塔处上翼缘板开洞，a8刚构桥上翼缘顶板，a9桥梁纵向中心分隔带，a10爪型结构支承刚构桥梁段；b1桥塔锚固点到桥面的高度，b2主跨钢束的最低点离桥面高度。具体实施方式
一、采用矮塔-上承式悬索桥结构体系的刚构桥加固方法的建立
1.基本原理
通过引入矮塔-上承式悬索桥结构体系使刚构桥发生受力体系的转变，使原有刚构桥受力体系发生卸载效应，抑制刚构桥由于混凝土收缩徐变而产生的长期下挠。
2.具体步骤
如图1所示，根据跨中钢索预设线型，在刚构桥中跨下翼缘安装钢横梁1与多个高度不等的钢爪字型支承结构2，支承结构下端为拉索转向固定装置3(图3和图4)；在刚构桥的墩顶横隔板4处加浇筑倾斜立柱5与横梁6，倾斜立柱5与横梁6通过栓钉或植筋与刚构桥墩顶横隔板4连接，共同形成上部矮桥塔的基座，在墩顶截面的该基座上设置矮桥塔7(图5)，在矮桥塔7中设置散索孔道8；根据拉索的预设形状，在刚构桥下翼缘底板9上钻孔形成拉索孔道10，在上翼缘a8上设置拉索孔道11、12；将中跨钢绞线拉索a1穿过中跨拉索孔道10、11、拉索转向装置3，将中跨钢绞线拉索a1通过散索孔道8锚固在矮桥塔上，并施加设计索力N1；将边跨钢绞线a2穿过边跨上翼缘板孔道12，分别锚固在矮桥塔7与主梁齿块a3上，并施加设计预应力Fi，最终完成采用矮塔-上承式悬索桥结构体系对刚构桥进行加固。
其中，跨中的钢拉索a1为整束的平行钢丝拉索或钢绞线拉索。跨中钢绞线拉索可为多根，可采用横向宽度较小的多个钢结构爪字型支承结构2在桥梁横向进行布置，或采用能同时布置多根跨中拉索的转向固定装置3。
中跨拉索挂索施工时，先在无应力状态下将钢拉索穿过转向装置，此时转向装置3的高强螺丝32不拧紧，不约束拉索的纵向移动，在钢拉索张拉到设计预应力值后，将转向装置3的高强螺丝32拧紧，使转向装置与拉索箍紧。
3.设计计算
中跨钢绞线拉索a1施加的设计预应力N1与边跨钢绞线设计预应力Fi的关系为：
N
1
s
i
n
α
=
Σ
i
F
i
sinβ
i
-
-
-
(
1
)
]]>
式中，α为中跨预应力钢绞线拉索a1锚固段与垂直方向的夹角；βi为各边跨预应力钢绞线a2与垂直方向的夹角。
钢爪字型支承结构2由多根斜杆21构成(图2)，每个钢爪字型支承结构2的斜杆21总截面面积∑AGi应满足下式要求，且每根支撑杆件应满足受压杆件的稳定性要求；
Σ
i
AG
i
cosω
i
>
K
1
×
FG
i
-
-
-
(
2
)
]]>
式中，AGi为每个钢爪字型支承结构2的任意斜杆21截面面积，ωi为任意斜杆21与水平面的夹角，K1为安全系数(根据大量工程实践经验取1.5～2.5)，FGi为钢绞线拉索a1对钢爪字型支承结构的反作用力，FGi表达式为：
FGi＝FGi-1,i-FGi,i+1(3)
FG
i
-
1
,
i
=
N
1
×
y
i
-
1
-
y
i
x
i
-
1
-
x
i
-
-
-
(
4
)
]]>
FG
i
,
i
+
1
=
N
1
×
y
i
-
y
i
+
1
x
i
-
x
i
+
1
]]>
式中，FGi-1,i和FGi,i+1分别为支撑点左右两边的竖向力，由于在支撑点间的拉索受到很大拉力，两受力点间的拉索线型可认为是直线，它们的差值为拉索支撑点提供的支撑力；N1为跨中拉索a1的设计预应力值，yi和xi为点i的横、竖坐标值，由拉索线型决定。
跨中钢绞线拉索a1形成的形状为内切于悬链线或抛物线的折线，并使支撑段长度为中跨跨径长度的0.45-0.55倍之间。根据大量工程实例统计，刚构桥下翼缘线型为1.6-2次曲线，支撑段的重量为整跨/中跨跨径的0.35-0.45倍之间；通过刚构桥有限元计算，获得上承式悬索体系分担的跨中支撑段荷载比例引起的收缩徐变减小比例关系见图8，在跨中支撑段荷载比例为0％-35％时，跨中的收缩徐变减小的速率最快，并且跨中支撑段荷载比例达25％时，收缩徐变效应减小达到55％。
中跨钢绞线拉索、边跨预应力钢绞线的设计容许应力水平为0.4fspk(钢绞线屈服应力)。
矮桥塔7的中跨拉索锚固点到桥面的高度b1与主跨跨径l长度的比例取为2/50～3/50，矮桥塔7距桥面的高度为中跨拉索锚固点到桥面高度b1加1～2m，主跨钢束的最低点离桥面高度b2与主跨长度的比例取为1/15～1/20，使跨中上承式拉索的矢跨比取为1/11～1/9，并满足下式：
b
1
+
b
2
l
=
(
1
11
~
1
9
)
-
-
-
(
5
)
.
]]>
矮桥塔在横桥向的宽度小于1～1.2m，此宽度限制可以使原有桥面的行车空间不受到明显的压缩，并设置纵向中心分隔带a9来保护桥塔和拉索免受车辆撞击而损坏。
中跨拉索的设计预应力N1与截面积AM1的求解：根据跨中支撑段恒载的0.25-0.35倍计算矮塔-上承式悬索桥结构体系分担的恒载大小，根据中跨拉索线型方程，获得中跨钢绞线索a1的设计预应力N1与设计截面积AM1。为此，跨中拉索a1面积AM1、边跨拉索a2面积AM2按0.25-0.35倍的爪型结构支撑段混凝土自重荷载决定，有：
A
M
1
=
(
0.25
-
0.35
)
×
Σ
j
MZ
j
0.4
×
f
s
p
k
×
c
o
s
α
-
-
-
(
6
)
]]>
A
M
1
×
s
i
n
α
=
Σ
i
A
M
2
i
×
sinβ
i
-
-
-
(
7
)
]]>
式中，∑MZj为爪型支撑段混凝土的总重。分析表明，上承式悬索桥体系分担的荷载量为爪型结构支撑段混凝土自重荷载的0.25-0.35倍之间，可将跨中收缩徐变下挠量减小约50％-60％。
二、本发明刚构桥加固方法的应用
1.施工
按照前述加固方法具体步骤进行。
2.计算
如图7所示，斜线填充的a10段为爪型结构支承刚构桥梁段。本桥的跨径为90m+160m+90m，跨中爪型结构支承的刚构桥梁段的长度为81m，梁段总重为1620T，桥塔设置高度为7.0m，其中锚固点距离桥面的高度为6m，矮塔-上承式悬索桥结构体系的跨中拉索形状选用悬链线，其矢跨比为1/10，钢爪字型支承结构的尺寸根据拉索悬链线形状布置。跨中拉索在锚固端与垂直方向的夹角α＝75°，cosα＝0.259。假设跨中拉索分担的支承段恒载比例为0.35，拉索的应力为0.4fspk，采用fspk＝1860MPa的钢绞线索，通过式(6)即可知所需的跨中拉索的面积为：
A
M
1
=
0.35
×
Σ
j
MZ
j
0.4
×
f
s
p
k
×
c
o
s
α
=
0.35
×
1620
×
9800
0.4
×
1860
×
0.259
=
28836
mm
2
]]>
如果采用一根跨中拉索的形式，截面为210×7φ5mm，采用二根跨中拉索的形式，截面为105×7φ5mm。边跨拉索a2面积可通过式(7)可以计算获得，边跨对称于桥梁纵向中心线共布置8根钢绞线拉索，其中，β1＝22°、β2＝57°、β3＝65°、β4＝69°、β5＝73°、β6＝76°、β7＝78°、β8＝81°，假设每根钢绞线拉索的面积AM2相同，故而有AM2面积如下式，截面为30×7φ5mm。
A
M
2
=
A
M
1
×
sin
α
/
Σ
i
sinβ
i
=
28836
×
0.966
/
(
0.37
+
0.84
+
0.91
+
0.93
+
0.96
+
0.97
+
0.98
+
0.99
)
=
4008
mm
2
]]>。