桥梁加固及提高承载力技术体系转换法谢肖礼课件

谢肖礼主要研究领域包括：大跨度承重结构、超长悬挑结构、新型桥梁结构、旧桥改造方法。近年建立了广西大学新型桥梁研发基地并开展新型桥梁的研究与开发，提出体系转换法对旧桥进行改造，提出力对冲结构概念并建立悬挑码头的构思，提出了千米级拱桥的新结构形式，主要成果发表在《土木工程学报》、《KSCEJournalofCivilEngineering》、《桥梁建设》、《中国公路学报》、《同济大学学报（自然科学版）》等刊物。共在国内学术刊物上发表40余篇相关研究论文，15余项相关专利，论文共被他引780次，单篇他引最高101次。广西大学教授、博士生导师、博士后桥梁加固及提高承载力技术——体系转换法主讲：刚架拱桥加固提载技术双曲拱桥加固提载技术肋拱桥加固提载技术第一章第二章第三章目录第四章梁桥加固提载技术刚架拱桥加固提载技术第一章第一章刚架拱桥加固提载技术1、设计荷载等级不足：依据旧规范所设计的刚架拱桥，其荷载等级较低，无法满足当前交通的需求。同时受到当时设计及施工水平限制，以及钢材用量少、混凝土等级低，进而导致桥梁的承载力不足和病害多。（一）现役刚架拱桥常见问题（1）大、小节点处开裂（2）主拱片、内、外弦杆下缘处开裂（3）主、次拱腿处开裂第一章刚架拱桥加固提载技术2、拱片开裂：（1）铺装层开裂（2）微弯板开裂第一章刚架拱桥加固提载技术3、桥面开裂：1、传统加固方案

传统加固方案(构件更换法、补强加固法和综合治理法)一般采用局部加固的思路，停留在构件层面上，加固后的承载力勉强维持原状。第一章刚架拱桥加固提载技术（二）加固提载技术构件更换法对结构中已受到破坏而不能承受设计荷载的构件进行更换。补强加固法对于一些破坏不甚严重、还能继续维持一段工作时期的结构，通过增大截面或粘贴钢板的方法对其进行加固。综合治理法对出现病害的结构采用多样的技术与施工方法进行全方位的加固修补治理。第一章刚架拱桥加固提载技术具体做法：在原桥上新增钢桁架，通过植筋的方式，使主梁与钢桁架下弦杆连成一体，同时，铺设钢筋网与桁架下弦杆相连并浇筑一定厚度的混凝土，加强横向联系，形成板桁组合结构。其优点如下：1、结构的梁变高，因此其承载力和刚度均大幅提高

2、由于对原桥进行了体系转换，主梁成为了桁架的弦杆，因此主梁变形从原来的以弯剪变形为主变成了以轴向变形为

主，故变形大幅减少3、原结构梁板的轴向刚度得到充分利用对于存在局部破坏的桥梁，可结合传统加固方法对其进行局部加固。第一章刚架拱桥加固提载技术2、加固提载方案传统加固方法通常从构件入手，一般只能维持原荷载等级，而加固提载方案主要着眼于整体，采用体系转换思路，从而达到大幅提升承载力的目的。其力学原理为：新增钢桁架并使钢桁架下弦杆与原主梁合为一体，形成板桁组合结构。现以48m的牛头潭大桥为例进行分析（已实施），桥面宽12m，设计荷载为2车道公路—Ⅱ级，矢跨比为1/10。采用Midas软件建立空间有限元模型，对比加固提载前后的刚度与承载力。加固提载后刚架拱桥有限元模型图加固提载前刚架拱桥有限元模型图第一章刚架拱桥加固提载技术（三）案例分析加固提载所需材料合计用钢量54.85t，C30混凝土用量为75m³，相当于每平米用钢量95.2kg，每平米混凝土用量为0.13m³。构件材料总用量上弦杆Q35519.40t下弦杆Q3555.96t腹杆Q35511.04t节点板Q35510.25t桥面钢筋HRB3358.2t桥面加厚C30混凝土75m³总用钢量：54.86t、混凝土75m³

第一章刚架拱桥加固提载技术1、材料用量加固提载前为公路-Ⅱ级荷载，加固提载后为公路-Ⅰ级荷载，均为双向两车道，加固提载后桥梁在荷载等级提升时挠度仍减小，可见，加固提载后结构的刚度明显提高加固提载前：主梁最大下挠：29.56mm加固提载后：主梁最大下挠：23.82mm第一章刚架拱桥加固提载技术2、结构刚度对比加固提载前为公路-Ⅱ级荷载，拱腿在原桥情况下恒载作用时最大压应力为11.03MPa，恒载加活载作用下拱脚最大压应力为20.68MPa；

加固提载后为公路-Ⅰ级荷载，拱腿在恒载作用时最大压应力为15.08MPa，在恒载加活载作用时拱脚最大压应力为21.34MPa。桁架在恒载加活载作用下最大拉应力为77.66MPa。

恒载恒加活原桥拱腿(MPa)-11.03-20.68加固提载后拱腿(MPa)-15.08-21.34桁架(MPa)27.0477.66第一章刚架拱桥加固提载技术3、结构强度对比（1）承载力高。加固提载后桥梁拱腿在荷载等级提升的情况下应力水平满足要求，结构承载力也有较大富裕；（2）刚度提升明显：在移动荷载作用下主梁的最大下挠值加固提载前为29.56mm，加固提载后则为23.82mm，在荷载从公路-Ⅱ级提升为公路-Ⅰ级后主梁下挠仍减少了19.42%；（3）材料用量少，施工方便，施工周期短，经济性好。每平米用钢量95.2kg，每平米混凝土用量0.13m³。第一章刚架拱桥加固提载技术4、结论双曲拱桥加固提载技术第二章第二章双曲拱桥加固提载技术1、设计荷载等级不足：依据旧规范所设计的双曲拱桥，其荷载等级较低，无法满足当下交通的需求。同时受到当时施工水平和经济的限制，装配水平较差，钢筋用量少，进而导致桥梁的整体性及耐久性较差。（一）现役双曲拱桥常见问题（3）波顶裂缝（2）径向裂缝（1）拱肋与拱波结合面环向缝2、开裂第二章双曲拱桥加固提载技术构件更换法对结构中已受到破坏而不能承受设计荷载的构件进行更换。补强加固法对于一些破坏不甚严重、还能继续维持一段工作时期的结构，通过增大截面或粘贴钢板的方法对其进行加固。综合治理法对出现病害的结构采用多样的技术与施工方法进行全方位的加固修补治理。第二章双曲拱桥加固提载技术（二）加固提载技术1、传统加固方案具体做法：保留原有桥墩、拱肋，拆除桥面及拱上立柱；安装斜杆及主梁，形成以拱肋为下弦杆、主梁为上弦杆的桁式结构来承担荷载。其优点如下：1、钢三角网代替立柱，大幅减轻自重；2、增设钢纵梁取代混凝土次拱，进一步减轻自重；

3、由于对原桥进行了体系转换，主梁成为了桁架的弦杆，因此主梁变形从原来的以弯剪变形为主变成了以轴

向变形为主，变形大幅减少。4、钢三角网自重小、稳定性好、刚度大，对纵梁和拱肋进行有效约束，从而大幅提高结构整体刚度

第二章双曲拱桥加固提载技术2、加固提载方案其力学原理为：将拱肋与新增的主梁通过斜杆联为一体，进行体系转换，形成变高桁架结构。现以广西北流圭江大桥改造的其中一跨为例进行分析（方案中），跨径为46m，桥面宽10.4m，设计荷载为2车道公路—Ⅱ级。采用Midas软件建立空间有限元模型。加固提载后的有限元模型图（三）案例分析第二章双曲拱桥加固提载技术构件材料总用量/t纵梁Q34533.15横梁Q34512.29腹杆Q34575.54节点板Q34524.87桥面钢筋HRB33520.10腹杆横向联系Q3453.47混凝土桥面板C30633.3每平米用砼量：0.18m³/m2每平米用钢量115.8kg/m2第二章双曲拱桥加固提载技术1、材料用量在移动荷载作用下（双车道公路-Ⅱ级），主梁的位移包络图如图所示，可知主梁的最大下挠值为6.0mm，上挠为0.1mm，上下挠绝对值之和为6.1mm，小于规范限制。主梁上挠包络图主梁下挠包络图第二章双曲拱桥加固提载技术2、结构刚度计算最不利工况作用下主梁和腹杆的应力云图如下图所示：主梁应力云图（MPa）由应力云图可知，在最不利工况作用下腹杆最大应力为143.7MPa，主梁钢结构最大应力为92.4MPa，均满足规范限制要求。腹杆应力云图（MPa）第二章双曲拱桥加固提载技术3、结构强度计算（1）承载力高。腹杆在最不利荷载组合作用下，最大应力仅为143.7MPa,满足承载力要求，且有较大富余；（2）刚度大。本桥在移动荷载作用下最大下挠为5.9mm，上挠为0.1mm，上下挠绝对值之和为6mm，满足规范要求；（3）材料用量少，施工周期短，经济性好。每平米用钢量仅为115.8Kg，每平米混凝土用量为0.18m³。第二章双曲拱桥加固提载技术4、结论肋拱桥加固提载技术第三章（一）现役肋拱桥常见问题现役肋拱桥常见问题主要有设计荷载等级不足、开裂和盖梁破损等。第三章肋拱桥加固提载技术第三章肋拱桥加固提载技术构件更换法对结构中已受到破坏而不能承受设计荷载的构件进行更换。补强加固法对于一些破坏不甚严重、还能继续维持一段工作时期的结构，通过增大截面或粘贴钢板的方法对其进行加固。套箍加固法用钢板对出现裂缝病害的拱肋进行约束，使拱肋处于三向受压状态，从而提高受压承载力。（二）加固提载技术1、传统加固方案具体做法：拆除拱上建筑，保留桥墩、拱肋；设置斜杆与主梁，形成拱肋为下弦杆、主梁为上弦杆的桁架结构。优点如下：1、钢三角网代替立柱，大幅减轻自重；2、增设钢纵梁取代混凝土次拱，进一步减轻自重；

3、由于对原桥进行了体系转换，主梁成为了桁架的弦杆，因此主梁变形从原来的以弯剪变形为主变成了以轴向

变形为主，变形大幅减少。4、斜杆组成的三角网自重小、稳定性好、刚度大，对纵梁和拱肋进行有效约束，从而大幅提高结构整体刚度第三章肋拱桥加固提载技术2、加固提载方案一其力学原理为：拆除拱上建筑后，将拱肋与新增的主梁通过斜杆联为一体，进行体系转换，形成变高桁架结构。具体做法：通过后锚技术安装腹杆，从而形成以主梁为上弦杆、拱肋为下弦杆的桁架拱。方案优势：1.由于对原桥进行了体系转换，主梁成为了桁架的上弦杆，因此主梁变形从原来的以弯剪变形为主变成

了以轴向变形为主，故变形大幅减少；2.该结构抗弯剪能力强和刚度大；

3.对交通影响较小。3、加固提载方案二其力学原理为：通过在纵梁和拱肋之间增加腹杆，对原桥梁进行体系转换，由原来的拱式结构变为桁式结构。第三章肋拱桥加固提载技术以加固提载方案一为基础，对滩营桥的其中一跨进行分析（方案中），净跨径为30m，桥面宽11m。采用Midas软件建立空间有限元模型。第三章肋拱桥加固提载技术（三）案例分析构件材料总用量纵梁Q34540.36t横梁Q34518.92t腹杆Q34530.08t次腹杆Q34532.61t腹杆横向联系Q3454.56t节点板Q34522.44t桥面钢筋HRB33518.48t混凝土桥面板C30280.5m³每平米用砼量：0.213m³/m2每平米用钢量：126.8kg/m2第三章肋拱桥加固提载技术1、材料用量加固提载所需材料合计用钢量167.45t，C30混凝土用量为280.5m³，相当于每平米用钢量126.9kg，每平米混凝土用量为0.213m³。在移动荷载作用下，主梁的位移包络图如图所示，可知主梁的最大下挠值为2.3mm，上挠为0.7mm，上下挠绝对值之和为3mm，小于规范限制。主梁上挠包络图主梁下挠包络图第三章肋拱桥加固提载技术2、结构刚度计算最不利工况作用下主梁和腹杆的应力云图如下图所示：主梁应力云图（MPa）可知在最不利工况作用下腹杆最大应力为-91.8MPa，主梁钢结构最大应力为42MPa，均满足规范限制要求腹杆应力云图（MPa）第三章肋拱桥加固提载技术3、结构强度计算主要结论：（1）承载力高。腹杆在最不利荷载组合作用下，最大应力仅为-91.8MPa,满足承载力要求，且有较大富余；（2）本桥在移动荷载作用下最大下挠为2.3mm，上挠为0.7mm，上下挠绝对值之和为3mm，满足规范要求；（3）材料用量少，施工周期短，经济性好。每平米用钢量仅为126.9Kg，每平米混凝土用量为0.213m³。第三章肋拱桥加固提载技术梁桥加固提载技术第四章（一）现役梁板桥常见问题依照旧规范设计的现役梁板桥常见问题主要有设计荷载等级不足、开裂和跨中下挠等。第四章梁板桥加固提载技术补强加固法对于一些破坏不甚严重、还能继续维持一段工作时期的结构，通过增大截面或粘贴钢板的方法对其进行加固。体外预应力加固法通过在原有桥梁外部增设钢绞线等预应力索给桥梁结构施加预应力，增加了桥梁结构的承载力、抗裂性和耐久性。第四章梁板桥加固提载技术（二）加固提载技术1、传统加固方案具体做法是：在原桥上新增钢桁架，通过植筋的方式，使原桥与钢桁架下弦杆连成一体，同时，铺设钢筋网与桁架下弦杆相连并浇筑一定厚度的混凝土，加强横向联系，形成板桁组合结构。加固提载前加固提载后第四章梁板桥加固提载技术2、加固提载方案

其力学原理为：新增钢桁架并使钢桁架下弦杆与原主梁合为一体，进行体系转换，形成板桁组合结构。第四章梁板桥加固提载技术（三）案例分析现以跨径为10m的梁板桥为例进行分析，桥面宽10m，设计荷载为2车道公路—Ⅱ级。采用Midas软件建立空间有限元模型。加固提载后的有限元模型图构件材料用量/t上弦杆Q3452.236腹杆Q3451.399加固提载所需材料合计用钢量7.976t，每平米用钢量79.76kg。上弦杆Q3451.241节点板Q3451.700桥面钢筋HRB3351.4第四章梁板桥加固提载技术1、材料用量在移动荷载作用下（双车道公路-Ⅱ级），原桥最大下挠为2.49mm，上挠为0.11mm，上、下挠度（绝对值）之和为2.60mm。在移动荷载作用下（双车道公路-Ⅰ级），加固提载后结构最大下挠为2.17mm，上挠为0.11mm，上、下挠度（绝对值）之和为2.28mm，分别较前者减少12.9%、0和12.3%。

加固提载前加固提载后变化率最大下挠/mm2.492.17-12.9%最大上挠/mm0.110.110