一种中小跨径拱桥的装配式加固装置及方法

技术领域

本发明涉及一种中小跨径拱桥的装配式加固装置及方法，属于中小跨径拱桥加固技术领域。

背景技术

拱桥由于其受力合理、经久耐用、成本节约、造型美观等优点，在公路工程中有广泛的应用。但由于其自重较大，且由于拱结构自身受力特性，仅在地基条件较好地区有较好的适用性。重庆地区作为我国典型的山地地区，地表覆土层较薄，通常只需要较少的开挖工程量就能得到满足承载力要求的地基基础，拱桥在重庆各等级公路均有广泛的应用。特别是上个世纪末，我国桥梁建设技术相对落后，施工简单、取材便捷、成本节约的等截面钢筋混凝土/圬工拱桥在重庆地区各等级公路中被普遍采用。近二十年来，随着我国经济的快速发展，各等级公路交通流量逐年攀升，既有桥梁的运营和承载压力也逐年增大，各类病害也逐渐显现。

现行常用的桥梁结构加固方法，包括增大截面加固法、粘贴钢板/纤维复合材料加固法、体外预应力加固法、改变结构体系加固法等。

一般拱式桥常用的几种加固技术如下：

1.锚喷技术：先在桥梁原主拱圈下缘挂设钢筋网，然后喷射小砾石混凝土，形成复合主拱圈，通过新、老主拱圈层的相互作用，共同承担荷载，达到加固桥梁的目的。

2.新增钢筋混凝土套拱：通过增设新钢筋混凝土套拱，达到加固桥梁的目的。

2.钢板箍加固：在原主拱圈的跨中、L/4、L/8位置加设3道钢板，用螺栓在拱腹及拱侧钻孔锚固，依靠收紧板箍时产生的强大、向内的压力，从而联结主拱圈为整体，达到加固桥梁的目的。

4.碳纤维加固：沿原主拱圈拱腹粘贴碳纤维和钢板，通过提高主拱圈截面刚度达到加固桥梁的目的。

上述方法中，新增钢筋混凝土套拱的方法最为常用，主要施工流程为：处理原有拱圈裂缝、安设砂浆锚固、主拱圈凿毛、冲洗、植筋挂设纵、环钢筋网格、支架模板现浇拱腹、侧面、拱背混凝土、养生至设计强度、拆模竣工验收

但是上述方法存在一下几种主要缺陷：

1.现浇套拱钢筋现场加工、支架、模板工程量大，无法实现工业化、标准化生产；

新增钢筋混凝土套拱须先对桥下进行基础平整和混凝土铺垫，并搭设满堂支架和模板，并需要根据设计要求植筋，挂设纵、环钢筋网格，现场工程量较大。同时，现浇套拱只针对特定的跨径、矢跨比和拱轴线形式，无法实现拱桥加固的工业化、标准化生产。

2.套拱与原拱圈变形不协调，交界面容易产生纵向裂缝病害；

新增套拱为连续的钢筋混凝土结构，原拱圈为离散的圬工结构，二者之间受力、变形条件有明显的差异性，加固后易因纵向变形不协调导致交界面产生纵向裂缝病害，影响加固效果。

3.现场施工质量难以保证；

通常，中小跨径拱桥主要分布在山地地区国道、省道、县道上，投资较小，现场施工队伍水平及桥下施工条件较差，现浇混凝土和钢筋绑扎质量难以保证。

因此，亟需提出一种新型的基于高强轻骨料混凝土的中小跨径拱桥的装配式加固装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决便于工业化、标准化生产，节省支架、现浇模板工程量，同时保证构件质量，证新增套拱强度的同时，提高新增套拱与原拱圈的变形协调性的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一、一种中小跨径拱桥的装配式加固装置，包括预制标准块、植筋、千斤顶和纵向钢筋，所述预制标准块的数量为多个，多个预制标准块沿原桥拱圈的弧形底面并排设置，且设置有多列，靠近原桥拱圈的弧形底面中心位置的两个预制标准块通过千斤顶建立连接，每左右相邻两个预制标准块侧壁相互贴合，每前后相邻两个预制标准块之间通过凸榫和凸榫凹槽建立卡装连接，所述预制标准块的中心处加工有上下贯穿的植筋孔，植筋孔内安装有植筋，植筋底部与原桥拱圈的弧形底面固定连接，预制标准块的纵向加工有贯穿的纵向钢筋孔，纵向钢筋孔内安装有纵向钢筋，纵向钢筋贯穿连接每排预制标准块。

优选的：所述预制标准块前后两侧面分别加工有凸榫和凸榫凹槽。

优选的：所述凸榫的侧壁轮廓和凸榫凹槽的侧壁轮廓完全贴合

优选的：所述预制标准块左右两侧面为平面。

优选的：所述每排预制标准块之间相互交错布置。

优选的：每相邻两个预制标准块之间的缝隙处填充有砂浆，所述植筋孔内填充有植筋胶。

优选的：每个所述预制标准块上纵向钢筋孔的数量至少为1个，且纵向钢筋孔内填充有砂浆。

优选的：所述原桥拱圈下方的左右两侧支壁上分别安装有多个支撑预制标准块，多个支撑预制标准块沿支壁竖直并排设置，且设置有多列，每左右相邻两个支撑预制标准块侧壁相互贴合，每前后相邻两个支撑预制标准块之间通过凸榫和凸榫凹槽建立卡装连接，所述支撑预制标准块通过植筋与原桥拱圈下方的左右两侧支壁固定连接，竖向钢筋贯穿连接每排支撑预制标准块。

优选的：所述纵向钢筋左右两端通过拱脚段与竖向钢筋顶部固定连接。

方案二、一种中小跨径拱桥的装配式加固方法，是依托于权利要求1所述的一种中小跨径拱桥的装配式加固装置实现的装配式加固方法，包括以下步骤：

步骤1，桥梁技术状况评估，确定加固方案；

步骤2，工厂预制预制标准块、植筋、纵向钢筋、支撑预制标准块、竖向钢筋和拱脚段；

步骤3，施工准备，将原桥拱圈的弧形底面临时平整、硬化，拆除桥面铺装、方桩护栏等桥面系，拱底清洗，架立施工台车；

步骤4，根据加固方案要求，确定预制预制标准块和支撑预制标准块网格及植筋孔位置；

步骤5，植筋孔清洗，打入植筋胶，安装植筋，养护24h至植筋胶凝固；

步骤6，依次安装预制标准块、支撑预制标准块、千斤顶和拱脚段，根据原桥拱圈的结构形式设置现浇预留带，并初拧螺栓固定植筋；

步骤7，先穿入纵向钢筋，后穿入竖向钢筋，并将二者通过拱脚段纵向搭接；

步骤8，混凝土支撑模板现浇拱脚段的拱脚处混凝土，养生至设计强度后，拆除模板；

步骤9，砌块勾缝、封闭，并采用导管向预制标准块和支撑预制标准块内部孔道内注入微膨胀砂浆填实；

步骤10，完成每排预制标准块和支撑预制标准块的拱带安装，砂浆勾缝，填满拱带间缝隙；

步骤11，恢复桥面铺装及防撞栏杆，复拧步骤6所述螺栓，紧固至设计要求；

步骤12，采用环氧树脂封闭螺栓头，清除桥下临时施工工具及设施；

步骤13，完成荷载试验及验收。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明便于工业化、标准化生产，将拱桥加固中新增的整体式套拱化整为零，分散为多个装配块，与石拱桥常用圬工砌块的尺寸大小相近。可以较好的贴合不同跨径、矢跨比、拱轴线形式的拱圈线形，对于跨径L＝6～30m，矢跨比f/L＝1/8～1/2的拱桥均有较好的适应性。而且装配块规格较为通一，可以最大限度的发挥工业化生产的造价优势；

2.本发明节省支架、现浇模板工程量，同时保证构件质量，通常中小跨径拱桥主要分布在山地地区国道、省道、县道上，投资较小，现场施工队伍水平及桥下施工条件较差，现浇混凝土质量难以保证。采用本发明的“预制装配块+现浇带”的形式，可有效地节省支架、现浇模板工程量，降低造价并提高施工质量。同时由于采用的高强轻骨料混凝土，单个砌块的重量可以控制在10kg以内，便于人工托举及安装；

3.本发明保证新增套拱强度的同时，提高新增套拱与原拱圈的变形协调性，预制标准块内部配有2～4道闭合箍筋，即通过2根纵向受力钢筋串联成整体，自身有较高的抗弯剪的强度储备。与传统的钢筋混凝土套拱加固技术相比，新增套拱与原拱圈相似，均为离散体，受力及变形模式相似，通过植筋螺杆可以实现新增套拱与原拱圈良好的变形协调性。

附图说明

图1是一种中小跨径拱桥的装配式加固装置的结构示意图；

图2是图1的A处放大图；

图3是本发明的预制标准块的结构示意图；

图4是本发明的预制标准块的配合安装图；

图5是本发明的植筋的立体图。

图中：1-预制标准块，2-植筋，3-千斤顶，4-纵向钢筋，5-原桥拱圈，6-凸榫，7-凸榫凹槽，8-植筋孔，9-纵向钢筋孔，10-支壁，11-支撑预制标准块，12-竖向钢筋，13-拱脚段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种中小跨径拱桥的装配式加固装置，包括预制标准块1、植筋2、千斤顶3和纵向钢筋4，所述预制标准块1的数量为多个，多个预制标准块1沿原桥拱圈5的弧形底面并排设置，且设置有多列，靠近原桥拱圈5的弧形底面中心位置的两个预制标准块1通过千斤顶3建立连接，每左右相邻两个预制标准块1侧壁相互贴合，每前后相邻两个预制标准块1之间通过凸榫6和凸榫凹槽7建立卡装连接，所述预制标准块1的中心处加工有上下贯穿的植筋孔8，植筋孔8内安装有植筋2，植筋2底部与原桥拱圈5的弧形底面固定连接，预制标准块1的纵向加工有贯穿的纵向钢筋孔9，纵向钢筋孔9内安装有纵向钢筋4，纵向钢筋4贯穿连接每排预制标准块1。

植筋2底部通过螺栓将每个所述预制标准块1上纵向钢筋孔9的数量至少为1个，且纵向钢筋孔9内填充有砂浆。

所述原桥拱圈5下方的左右两侧支壁10上分别安装有多个支撑预制标准块11，多个支撑预制标准块11沿支壁10竖直并排设置，且设置有多列，每左右相邻两个支撑预制标准块11侧壁相互贴合，每前后相邻两个支撑预制标准块11之间通过凸榫6和凸榫凹槽7建立卡装连接，所述支撑预制标准块11通过植筋2与原桥拱圈5下方的左右两侧支壁10固定连接，竖向钢筋12贯穿连接每排支撑预制标准块11。

所述纵向钢筋4左右两端通过拱脚段13与竖向钢筋12顶部固定连接。

所述预制标准块1和支撑预制标准块11结构相同，均为预制块，且均采用高强轻骨料混凝土预制而成，发挥高强轻骨料混凝土密度小、强度高的材料优势制作装配式钢筋混凝土砌块，即预制标准块1和支撑预制标准块11，利用装配式技术和植筋技术与原拱圈形成成体，形成一套适用于中小跨径拱桥的装配式加固技术。

所述预制标准块1前后两侧面分别加工有凸榫6和凸榫凹槽7。所述凸榫6的侧壁轮廓和凸榫凹槽7的侧壁轮廓完全贴合，所述预制标准块1左右两侧面为平面，故相邻两个平面在贴合时，由于弧形面自身形状作用，相邻两个平面上侧存在形变缓冲缝隙，该缝隙处填充有砂浆。所述每排预制标准块1之间相互交错布置。最前侧和最后侧两排预制标准块1的前端面和后端面为平面，即预制标准块1和支撑预制标准块11相同，共分为左标准块、中标准块、右标准块三种形式：

1.左标准块左侧为平面，右侧为凸榫凹槽7；中标准块左侧为凸榫6，右侧为凸榫凹槽7；右标准块左侧为凸榫6，右侧为平面。

2.预制标准块1和支撑预制标准块11的尺寸，即长x宽x厚，有300x250x100mm、300x250x150mm、300x250x200mm三种尺寸，可根据结构加固需求选定适当厚度的装配块。

3.根据植筋2直径的大小，预制标准块1和支撑预制标准块11中部设置D20～D30mm预留圆孔或圆端形孔，圆端形孔又名腰型孔，即植筋孔8，用以待植螺杆的穿入并预留一定的纵、横向变形空间；

4.预制标准块1和支撑预制标准块11的长度方向预留两个尺寸在D50～120mm的预留圆孔，即纵向钢筋孔9，用以穿入纵向钢筋4和砂浆注浆，并降低砌块自身重量；

5.根据计算要求，预制标准块1和支撑预制标准块11纵向设置2Ф16～Ф20mm的HRB400钢筋，即纵向钢筋4，横向设置2～4道闭合双肢箍筋，用以保证结构足够的强度储备。

6.植筋2采用Ф16～20mm的HPB300钢筋，一端预制螺纹并配有螺母，用以植筋2锚固后将装配块固定在现有拱圈上，长度根据设计要求采用。

每相邻两个预制标准块1之间的缝隙处填充有砂浆，所述植筋孔8内填充有植筋胶。

具体实施方式二：结合图1-图5说明本实施方式，基于具体实施方式一所述的一种中小跨径拱桥的装配式加固装置实现的，本实施方式的一种中小跨径拱桥的装配式加固方法，包括以下步骤：

步骤1，桥梁技术状况评估，确定加固方案；

以桥梁定检或专项检测报告为依据，结合技术状况等级和加固建议，选择适当厚度的装配块，拟定加固方案；

步骤2，工厂预制预制标准块1、植筋2、纵向钢筋4、支撑预制标准块11、竖向钢筋12和拱脚段13；

步骤3，施工准备，将原桥拱圈5的弧形底面临时平整、硬化，拆除桥面铺装、方桩护栏等桥面系，拱底清洗，架立施工台车；

步骤4，根据加固方案要求，确定预制预制标准块1和支撑预制标准块11网格及植筋孔8位置；

步骤5，植筋孔8清洗，打入植筋胶，安装植筋2，养护24h至植筋2胶凝固；

步骤6，依次安装预制标准块1、支撑预制标准块11、千斤顶3和拱脚段13，根据原桥拱圈5的结构形式，即三铰拱、两铰拱、无铰拱，设置现浇预留带，并初拧螺栓固定植筋2；

步骤7，先穿入纵向钢筋4，纵向焊接搭接/绑扎搭接，现浇带处装配块间设置千斤顶3，对已安装拱带进行顶压，使得装配块紧密接合，后穿入竖向钢筋12，并对立墙和拱圈内部钢筋焊接连接，即将纵向钢筋4和竖向钢筋12二者通过拱脚段13纵向搭接；

步骤8，混凝土支撑模板现浇拱脚段13的拱脚处混凝土，养生至设计强度后，拆除模板；

步骤9，砌块勾缝、封闭，并采用导管向预制标准块1和支撑预制标准块11内部孔道内注入微膨胀砂浆填实；

步骤10，完成每排预制标准块1和支撑预制标准块11的拱带安装，砂浆勾缝，填满拱带间缝隙；

步骤11，恢复桥面铺装及防撞栏杆，复拧步骤6所述螺栓，紧固至设计要求；

步骤12，采用环氧树脂封闭螺栓头，清除桥下临时施工工具及设施；

步骤13，完成竣工验收。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。