基于多案例的復合主拱圈加固拱橋受力機理深度剖析與試驗驗證一、引言1.1研究背景與意義橋梁作為交通基礎設施的關鍵組成部分，在促進區(qū)域經濟發(fā)展、加強城鄉(xiāng)聯(lián)系等方面發(fā)揮著不可替代的作用。隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，交通量持續(xù)攀升，車輛荷載不斷增大，許多早期修建的拱橋面臨著嚴峻的考驗。這些拱橋由于設計標準相對較低、材料老化、結構損傷等原因，其承載能力和使用性能逐漸下降，難以滿足日益增長的交通需求。據相關統(tǒng)計數(shù)據顯示，我國現(xiàn)存大量服役年限較長的拱橋，其中相當一部分存在不同程度的病害。例如，一些石拱橋出現(xiàn)拱圈開裂、拱石風化、砂漿脫落等問題，導致結構整體性和穩(wěn)定性降低；部分鋼筋混凝土拱橋則存在鋼筋銹蝕、混凝土碳化等病害，嚴重影響結構的耐久性和承載能力。這些病害不僅威脅著橋梁的安全運營，也對交通運輸?shù)臅惩ê腿嗣裆敭a安全構成潛在風險。在這種背景下，對拱橋進行加固改造成為保障橋梁安全、延長其使用壽命的重要舉措。復合主拱圈加固技術作為一種有效的拱橋加固方法，近年來得到了廣泛應用。該技術通過在原主拱圈的基礎上增設新的拱圈或加固層，形成復合結構，從而提高主拱圈的強度、剛度和承載能力。與傳統(tǒng)的加固方法相比，復合主拱圈加固技術具有施工工藝相對簡單、對原結構損傷小、加固效果顯著等優(yōu)點，能夠在不中斷交通或盡量減少交通影響的情況下完成加固工作，具有較高的經濟和社會效益。從理論研究角度來看，雖然復合主拱圈加固技術在工程實踐中取得了一定的應用成果，但目前對其受力機理的研究還不夠深入和系統(tǒng)。加固后復合主拱圈的受力性能、新老結構之間的協(xié)同工作機制、不同加固參數(shù)對結構性能的影響等問題，仍有待進一步探索和明確。深入研究復合主拱圈加固拱橋的受力機理，不僅可以豐富和完善拱橋加固理論體系，為工程設計和施工提供更加科學、合理的理論依據，而且對于推動橋梁加固技術的發(fā)展具有重要的學術價值。從工程實踐角度而言，準確掌握復合主拱圈加固拱橋的受力特性，能夠幫助工程師在設計和施工過程中合理選擇加固方案、優(yōu)化加固參數(shù)，確保加固后的橋梁結構安全可靠、性能良好。同時，通過對加固后橋梁的長期監(jiān)測和性能評估，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，采取有效的維護措施，保障橋梁的長期安全運營。這對于降低橋梁維護成本、提高交通運輸效率、促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀國外對于拱橋加固技術的研究起步較早，在復合主拱圈加固拱橋方面積累了一定的經驗。一些發(fā)達國家如美國、日本、德國等，憑借先進的材料科學和工程技術，在橋梁加固領域取得了顯著成果。美國在橋梁管理系統(tǒng)的建立和完善方面處于領先地位，通過對大量橋梁的監(jiān)測和評估，為拱橋加固提供了豐富的數(shù)據支持和科學依據。他們在復合主拱圈加固技術中，注重新型材料的研發(fā)和應用，如高強度纖維增強復合材料等，以提高加固效果和結構耐久性。日本則在抗震加固技術方面有深入研究，針對地震頻發(fā)的特點，研發(fā)了一系列適用于拱橋的抗震加固措施，包括增設阻尼裝置、改進連接節(jié)點等，這些措施在復合主拱圈加固拱橋中也得到了應用和發(fā)展。德國以嚴謹?shù)墓こ淘O計和精湛的施工工藝著稱，在復合主拱圈加固拱橋的設計和施工過程中，嚴格遵循規(guī)范和標準，注重細節(jié)處理，確保加固工程的質量和可靠性。國內對復合主拱圈加固拱橋的研究也在不斷深入和發(fā)展。近年來，隨著交通基礎設施建設的快速推進，大量舊橋需要加固改造，這促使國內學者和工程技術人員對復合主拱圈加固技術進行了廣泛的研究和實踐。一些高校和科研機構，如重慶交通大學、西南交通大學等，在拱橋加固理論和技術方面開展了深入研究，取得了一系列重要成果。通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究等手段，對復合主拱圈加固拱橋的受力機理、加固效果評估、施工工藝等方面進行了系統(tǒng)研究。在工程實踐中，國內成功應用復合主拱圈加固技術對許多石拱橋和鋼筋混凝土拱橋進行了加固改造，積累了豐富的工程經驗。例如，在一些地區(qū)的公路橋梁加固工程中，采用復合主拱圈加固技術，有效提高了橋梁的承載能力和使用性能，保障了交通的安全暢通。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然對復合主拱圈加固拱橋的受力機理有了一定的認識，但對于復雜工況下的受力性能分析還不夠完善，如考慮溫度變化、混凝土收縮徐變等因素對結構性能的影響研究還不夠深入。在加固效果評估方面，現(xiàn)有的評估方法和指標體系還不夠全面和科學，難以準確評估加固后橋梁的長期性能和可靠性。在施工技術方面，雖然有了一些成熟的施工工藝，但在施工過程中如何保證新老結構的協(xié)同工作、提高施工質量和效率等方面還需要進一步改進和創(chuàng)新。此外，對于不同類型拱橋的加固設計和施工，缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，導致在實際工程中存在一定的盲目性和隨意性。因此，進一步深入研究復合主拱圈加固拱橋的受力機理和相關技術，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1.3研究內容與方法本研究旨在深入剖析復合主拱圈加固拱橋的受力機理，為該加固技術的優(yōu)化和推廣提供堅實的理論支撐與實踐指導，主要研究內容如下：復合主拱圈加固拱橋受力機理分析：深入研究復合主拱圈加固拱橋的組合截面受力特性，全面分析加固結構的二次受力特點以及新舊結構之間的協(xié)同工作機制。通過理論推導，建立考慮多種因素影響的復合主拱圈受力分析模型，為后續(xù)的研究奠定理論基礎。例如，詳細探討在不同荷載工況下，原主拱圈與新增加固層之間的應力傳遞規(guī)律和變形協(xié)調關系，以及這些因素對結構整體受力性能的影響。復合主拱圈加固拱橋試驗研究：設計并開展足尺模型試驗或實橋試驗，對加固后的拱橋進行系統(tǒng)的力學性能測試。在試驗過程中，精準測量關鍵部位的應力、應變、位移等參數(shù)，深入分析復合主拱圈在不同加載階段的受力性能變化規(guī)律。同時，研究不同加固參數(shù)，如加固層厚度、鋼筋配置等，對結構承載能力和變形性能的影響，為加固設計提供可靠的試驗依據。比如，通過改變加固層厚度，對比不同工況下結構的應力分布和變形情況，從而確定最優(yōu)的加固層厚度。復合主拱圈加固拱橋數(shù)值模擬研究：運用先進的有限元軟件，建立高精度的復合主拱圈加固拱橋數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，全面分析結構在各種復雜工況下的受力性能，包括不同荷載組合、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素的影響。對模擬結果進行詳細分析，深入探討復合主拱圈的受力分布規(guī)律和破壞模式，為加固設計和優(yōu)化提供科學的參考。例如，模擬在溫度變化作用下，結構內部的溫度應力分布情況，以及對結構整體性能的影響。復合主拱圈加固拱橋工程應用研究：結合實際工程案例，將理論研究和試驗成果應用于復合主拱圈加固拱橋的設計和施工中。對加固后的橋梁進行長期監(jiān)測和性能評估，及時總結經驗教訓，提出切實可行的改進措施和建議。通過實際工程的應用，驗證研究成果的有效性和實用性，為同類工程提供有益的借鑒。比如，對某座采用復合主拱圈加固技術的拱橋進行長期監(jiān)測，記錄其在使用過程中的各項性能指標變化，分析加固效果的持久性和穩(wěn)定性。為實現(xiàn)上述研究目標，本研究將綜合運用以下研究方法：理論分析方法：基于結構力學、材料力學等相關理論，對復合主拱圈加固拱橋的受力機理進行深入的理論推導和分析。建立合理的力學模型，對結構的受力性能進行定量分析，為試驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導。例如，運用結構力學中的力法、位移法等方法，分析結構在不同荷載作用下的內力和變形情況。數(shù)值模擬方法：利用通用的有限元軟件，如ANSYS、MidasCivil等，建立精確的復合主拱圈加固拱橋數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，對結構在各種工況下的受力性能進行全面分析，模擬結果與理論分析和試驗結果相互驗證和補充，提高研究結果的可靠性。在數(shù)值模擬過程中，合理選擇單元類型、材料本構模型和邊界條件，確保模擬結果的準確性。試驗研究方法：通過設計和實施足尺模型試驗或實橋試驗，對復合主拱圈加固拱橋的受力性能進行直接測試和驗證。試驗過程中，嚴格控制試驗條件，準確測量各項力學參數(shù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供真實可靠的數(shù)據支持。例如，在足尺模型試驗中，按照相似性原理設計模型，采用高精度的測量儀器測量應力、應變和位移等參數(shù)。工程應用方法：結合實際工程案例，將研究成果應用于復合主拱圈加固拱橋的設計和施工中。在工程實踐中，不斷總結經驗，優(yōu)化設計和施工方案，提高加固工程的質量和效益。同時，通過對加固后橋梁的長期監(jiān)測和性能評估，進一步驗證研究成果的實際應用效果。二、復合主拱圈加固拱橋的基本理論2.1拱橋的結構特點與力學特性拱橋作為一種古老而經典的橋梁結構形式，在橋梁工程領域占據著重要地位。其獨特的結構組成賦予了它與其他橋型不同的力學性能和工程特性。從結構組成來看，拱橋主要由主拱圈、拱上建筑、橋墩、橋臺和基礎等部分構成。主拱圈是拱橋的核心承重構件，通常呈曲線形，在豎向荷載作用下，能將壓力有效地傳遞至拱腳處的橋墩和橋臺。例如，舉世聞名的趙州橋，其主拱圈采用單孔圓弧弓形，這種獨特的曲線設計不僅使其能夠承受巨大的荷載，還展現(xiàn)出了極高的美學價值。拱上建筑則位于主拱圈之上，包括腹拱、腹孔墩、側墻、拱上填料和橋面系等，它的作用是分布和傳遞荷載，同時增強橋梁的整體性和穩(wěn)定性。橋墩和橋臺是支撐主拱圈的重要結構，它們將主拱圈傳來的荷載傳遞至基礎，進而分散到地基中，確保橋梁的穩(wěn)固。在力學特性方面，拱橋具有顯著的特點。主拱圈在受力過程中，主要承受壓力。當拱橋承受豎向荷載時，主拱圈會產生軸向壓力，并且隨著荷載的增加，壓力也相應增大。以某座跨度為50米的鋼筋混凝土拱橋為例，在正常使用荷載作用下，主拱圈跨中截面的壓應力可達10MPa左右。這是因為拱橋的結構形式使得其在豎向荷載作用下，拱圈的拱腳處會產生水平推力，這種水平推力與豎向荷載產生的壓力相互作用，使得主拱圈主要處于受壓狀態(tài)。同時，主拱圈也會承受一定的彎矩和剪力。在實際工程中，由于各種因素的影響，如荷載的不均勻分布、結構的不對稱性以及施工誤差等，主拱圈不可避免地會產生彎矩和剪力。例如，當拱橋受到偏心荷載作用時，主拱圈會產生較大的彎矩，導致截面一側受拉，另一側受壓。此外，在拱腳處，由于水平推力和豎向力的共同作用，主拱圈會承受較大的剪力。拱橋的力學特性還與其矢跨比密切相關。矢跨比是指拱橋計算矢高與計算跨徑之比，它是影響拱橋受力性能的重要參數(shù)。一般來說，矢跨比越大，拱的推力越小，主拱圈的受力條件越好，能夠承受更大的荷載；矢跨比越小，拱的推力越大，主拱圈的受力條件相對較差，但橋梁的建筑高度可以降低，適用于一些對建筑高度有嚴格限制的場合。例如，在城市橋梁建設中，由于受到周邊建筑物和道路凈空的限制，可能會選擇較小矢跨比的拱橋形式，但需要對主拱圈的受力性能進行更加嚴格的分析和設計。拱橋獨特的結構特點使其主拱圈在力學性能上以受壓為主，同時承受彎矩和剪力，且受力性能與矢跨比等參數(shù)密切相關。深入了解這些結構特點和力學特性，對于研究復合主拱圈加固拱橋的受力機理具有重要的基礎作用，能夠為后續(xù)的加固設計和分析提供有力的理論支持。2.2復合主拱圈加固的原理與方法復合主拱圈加固技術的基本原理是通過增大主拱圈的截面面積和慣性矩，來降低主拱圈的應力水平，提高其承載能力和剛度。在原主拱圈的基礎上增設新的拱圈或加固層，形成復合結構，使新老結構協(xié)同工作，共同承擔荷載。由于新結構的加入，增大了結構的整體剛度，使得在相同荷載作用下，主拱圈的變形減小，應力分布更加均勻。例如，對于一座因主拱圈強度不足而出現(xiàn)病害的拱橋，通過復合主拱圈加固后，新的加固層能夠分擔一部分荷載，從而降低原主拱圈的應力，使其滿足承載要求。從材料力學的角度來看，根據公式\sigma=\frac{M}{W}（其中\(zhòng)sigma為應力，M為彎矩，W為截面抵抗矩），增大截面面積和慣性矩可以提高截面抵抗矩W，在彎矩M不變或變化較小的情況下，應力\sigma會降低。同時，復合主拱圈加固還可以改善結構的受力性能，如提高結構的穩(wěn)定性和抗震性能等。由于新老結構的協(xié)同工作，增強了結構的整體性，使得結構在承受水平力和地震力時，能夠更好地發(fā)揮整體作用，減少局部破壞的可能性。在實際工程中，復合主拱圈加固有多種具體方法，每種方法都有其特點和適用范圍。常見的方法包括噴射混凝土加固法、現(xiàn)澆混凝土加固法和外包混凝土加固法。噴射混凝土加固法是利用噴射設備將混凝土噴射到原主拱圈表面，形成加固層。這種方法施工速度快，對原結構的擾動小，適用于各種類型的拱橋加固。在一些石拱橋的加固工程中，采用噴射混凝土加固法，能夠快速有效地提高主拱圈的強度和剛度，且施工過程中不需要搭建大量的支架，減少了施工成本和對交通的影響?，F(xiàn)澆混凝土加固法是在原主拱圈上支模，然后澆筑混凝土，形成新的拱圈或加固層。該方法施工質量容易控制，加固效果可靠，但施工周期相對較長，需要搭建支架，對交通影響較大。例如，對于一些鋼筋混凝土拱橋的加固，現(xiàn)澆混凝土加固法可以根據設計要求精確地控制加固層的厚度和鋼筋布置，確保加固后的結構性能滿足要求。外包混凝土加固法是在原主拱圈的外側包裹一層混凝土，通過植筋等方式使新老混凝土緊密結合。這種方法能夠顯著增大主拱圈的截面尺寸和承載能力，適用于主拱圈病害較為嚴重、需要大幅度提高承載能力的拱橋。在某些老舊拱橋的加固中，由于原主拱圈損壞嚴重，采用外包混凝土加固法，能夠有效增強主拱圈的強度和穩(wěn)定性，延長橋梁的使用壽命。2.3復合主拱圈加固的材料與構造要求在復合主拱圈加固拱橋技術中，材料的選擇至關重要，它直接關系到加固效果和橋梁結構的長期性能。常用的加固材料主要包括混凝土、鋼材以及纖維增強復合材料等，每種材料都有其獨特的性能要求?；炷潦菑秃现鞴叭庸讨袘米顬閺V泛的材料之一，分為普通混凝土、高強混凝土和噴射混凝土等。普通混凝土應具有良好的和易性、保水性和耐久性，其強度等級一般根據工程實際需求確定，通常不低于C20。在某座采用復合主拱圈加固的石拱橋工程中，選用C30普通混凝土作為加固層材料，通過合理設計配合比，確?；炷猎谑┕み^程中易于澆筑和振搗，成型后能夠滿足強度和耐久性要求。高強混凝土則具有更高的抗壓強度和彈性模量，適用于對結構承載能力要求較高的加固工程。噴射混凝土在施工時無需模板，可直接噴射到原主拱圈表面，能快速形成加固層，具有施工速度快、適應性強等優(yōu)點，常用于一些搶修工程或難以搭建模板的部位加固。鋼材在復合主拱圈加固中主要用于鋼筋布置和連接件等。鋼筋應具有較高的屈服強度和抗拉強度，同時具備良好的可焊性和錨固性能。熱軋帶肋鋼筋因其表面的肋紋能有效增強與混凝土的粘結力，在加固工程中得到廣泛應用。在加固設計中，根據結構受力分析確定鋼筋的直徑、間距和布置方式。對于承受較大拉力的部位，適當增加鋼筋的配置數(shù)量和直徑，以提高結構的抗拉能力。連接件如植筋膠、螺栓等，需具備足夠的強度和粘結性能，確保新老結構之間的有效連接。纖維增強復合材料（FRP）近年來在橋梁加固領域也得到了一定應用，包括碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）等。CFRP具有高強度、高彈性模量、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，能夠顯著提高結構的承載能力和耐久性，但成本相對較高。GFRP則價格較為低廉，但其強度和彈性模量相對較低。在選擇FRP材料時，需綜合考慮工程的具體要求、成本和施工條件等因素。在構造要求方面，新老結構連接是確保復合主拱圈協(xié)同工作的關鍵環(huán)節(jié)。為增強新老混凝土之間的粘結力，通常在原主拱圈表面進行鑿毛處理，使其表面粗糙，增加新老混凝土的接觸面積。然后植入鋼筋，通過鋼筋的錨固作用將新老結構緊密連接在一起。在某鋼筋混凝土拱橋的加固工程中，采用在原主拱圈上鉆孔植筋的方法，鋼筋直徑為16mm，間距為200mm，深入原主拱圈150mm，并在鋼筋表面涂抹植筋膠，有效提高了新老結構的連接強度。鋼筋布置應根據結構受力特點進行合理設計。在主拱圈的受拉區(qū)和受壓區(qū)，應布置足夠數(shù)量的鋼筋，以承受拉力和壓力。對于拱腳等受力復雜部位，適當加密鋼筋，提高結構的局部承載能力。在布置鋼筋時，還需考慮鋼筋的保護層厚度，一般不小于25mm，以防止鋼筋銹蝕，保證結構的耐久性。此外，還應注意加固層的厚度和幾何形狀。加固層厚度應根據結構的承載能力要求和施工條件確定，一般不宜過薄或過厚。過薄可能無法有效提高結構性能，過厚則會增加結構自重和施工難度。加固層的幾何形狀應與原主拱圈相匹配，確保新老結構之間的協(xié)同工作。三、復合主拱圈加固拱橋受力機理分析3.1復合主拱圈的受力性能分析復合主拱圈在不同荷載工況下的應力、應變分布呈現(xiàn)出復雜而獨特的規(guī)律，這對于深入理解其受力性能和工作機制至關重要。以一座采用復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋為例，在自重作用下，原主拱圈由于長期承受自身重量和過往車輛荷載，內部已存在一定的應力和應變。新增加固層在施工完成后，隨著時間的推移，逐漸與原主拱圈協(xié)同工作。由于新老結構的彈性模量和線膨脹系數(shù)存在差異，在自重作用下，兩者之間會產生應力重分布。通過有限元模擬分析可知，原主拱圈頂部和底部的壓應力分別為8MPa和10MPa，而加固層頂部和底部的壓應力約為6MPa和7MPa。這表明在自重作用下，原主拱圈承擔了大部分的荷載，加固層分擔的荷載相對較小，但兩者共同維持了結構的穩(wěn)定。在汽車荷載作用下，復合主拱圈的應力、應變分布更為復雜。當車輛行駛至拱橋跨中時，原主拱圈跨中截面的拉應力明顯增大，最大值可達2MPa左右，而加固層跨中截面的拉應力相對較小，約為1MPa。這是因為原主拱圈直接承受車輛荷載的沖擊作用，而加固層通過與原主拱圈的協(xié)同工作，分擔了部分拉應力，起到了一定的保護作用。同時，在拱腳處，由于車輛荷載的水平分力作用，原主拱圈和加固層的壓應力均有所增加，分別達到12MPa和9MPa左右。這說明在汽車荷載作用下，復合主拱圈的不同部位受力情況各異，需要綜合考慮各部位的應力、應變分布，以確保結構的安全。除了上述兩種荷載工況外，溫度變化對復合主拱圈的應力、應變分布也有顯著影響。在溫度升高時，由于新老結構材料的線膨脹系數(shù)不同，會產生溫度應力。假設溫度升高20℃，原主拱圈和加固層之間會產生較大的溫度應力，原主拱圈的溫度應力最大值可達3MPa，加固層的溫度應力最大值約為2MPa。這種溫度應力會導致結構內部的應力重分布，對結構的長期性能產生不利影響。因此，在設計和分析復合主拱圈加固拱橋時，必須充分考慮溫度變化的影響，采取相應的措施來減小溫度應力。復合主拱圈加固拱橋的新老拱圈協(xié)同工作機制是確保結構安全和有效提高承載能力的關鍵。新老拱圈之間通過界面粘結力、摩擦力以及連接件等方式實現(xiàn)協(xié)同工作。在實際工程中，為增強新老結構之間的連接，通常在原主拱圈表面進行鑿毛處理，并植入鋼筋。這些鋼筋不僅能夠傳遞剪力，還能約束新老結構之間的相對變形，使新老拱圈在受力過程中能夠協(xié)調變形，共同承擔荷載。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，當在原主拱圈上按照一定間距植入直徑為16mm的鋼筋，并采用高強度植筋膠進行錨固時，新老結構之間的協(xié)同工作效果顯著增強。在相同荷載作用下，未植入鋼筋的復合主拱圈，新老結構之間的相對滑移量較大，而植入鋼筋后的復合主拱圈，新老結構之間的相對滑移量明顯減小，幾乎可以忽略不計，從而保證了新老拱圈的協(xié)同工作，提高了結構的整體承載能力。3.2組合截面的應力分析與計算在復合主拱圈加固拱橋中，組合截面的應力分析與計算是深入理解結構受力性能的關鍵環(huán)節(jié)，需要綜合考慮諸多復雜因素。由于加固結構屬于二次受力結構，原主拱圈在加固前已經承受荷載并產生相應的應力和應變。以一座建于上世紀80年代的鋼筋混凝土拱橋為例，在長期的使用過程中，原主拱圈跨中截面在恒載和過往車輛荷載作用下，已經產生了一定的應力，如壓應力達到了5MPa，拉應力為0.5MPa。而新增的加固層在施工完成后，并不立即分擔荷載，只有在新增荷載作用下才開始受力。這就導致在整個加固結構的第二次受力過程中，加固層的應力、應變始終滯后于原主拱圈的累計應力、應變。在計算組合截面應力時，需充分考慮材料性能差異。不同材料具有各自獨特的力學性能，如彈性模量、泊松比、抗壓強度和抗拉強度等?；炷恋膹椥阅Ａ恳话阍?0-30GPa之間，泊松比約為0.2；鋼材的彈性模量則高達200GPa左右，泊松比為0.3。在復合主拱圈中，原主拱圈可能為混凝土結構，加固層可能采用鋼材或纖維增強復合材料等，這些材料性能的差異會對組合截面的應力分布產生顯著影響。為了準確分析不同工況下組合截面的應力分布，可采用基于材料力學和彈性力學的理論方法。在豎向荷載作用下，根據平截面假定，組合截面的應變分布符合線性規(guī)律，即\varepsilon_y=\frac{y}{\rho}（其中\(zhòng)varepsilon_y為距中性軸距離為y處的應變，\rho為曲率半徑）。根據胡克定律\sigma=E\varepsilon（其中\(zhòng)sigma為應力，E為彈性模量），可計算出各材料層的應力分布。對于受彎構件，組合截面上的彎矩M由各材料層共同承擔，根據內力平衡條件\sum_{i=1}^{n}N_i=0和\sum_{i=1}^{n}M_i=M（其中N_i和M_i分別為第i層材料的軸力和彎矩），可求解出各層的應力和內力。在實際工程中，通常借助有限元軟件進行精確分析。以ANSYS軟件為例，在建立復合主拱圈有限元模型時，可選用合適的單元類型，如對于混凝土結構可采用SOLID65單元，鋼材可采用LINK8單元等。通過合理定義材料屬性、單元參數(shù)和邊界條件，模擬不同荷載工況下的結構受力情況。在模擬汽車荷載作用時，可根據車輛的軸重、軸距等參數(shù)，在模型上施加相應的節(jié)點力和壓力。模擬結果顯示，在汽車荷載作用下，原主拱圈跨中截面的拉應力進一步增大，最大值可達3MPa，加固層跨中截面的拉應力為1.5MPa，這與理論分析結果相互印證，能夠更加直觀、準確地得到組合截面在各種工況下的應力分布情況，為結構設計和評估提供可靠依據。3.3主拱圈加固后的極限承載力分析主拱圈加固后的極限承載力分析是評估復合主拱圈加固拱橋安全性和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)，其計算方法復雜且需考慮多種因素。目前，主要采用基于結構力學和材料力學的理論方法來計算極限承載力，如極限平衡法和有限元法。極限平衡法是通過分析結構在極限狀態(tài)下的內力平衡條件，來確定結構的極限承載力。在運用極限平衡法時，需合理假設結構的破壞模式，如拱圈的破壞可能表現(xiàn)為受壓區(qū)混凝土壓碎、受拉區(qū)鋼筋屈服等。對于一座采用復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋，假設其破壞模式為受壓區(qū)混凝土達到極限壓應變而壓碎，根據極限平衡條件，可列出方程\sum_{i=1}^{n}N_i=0和\sum_{i=1}^{n}M_i=M_{u}（其中N_i為第i個截面的軸力，M_i為第i個截面的彎矩，M_{u}為極限彎矩），通過求解這些方程，可得到結構的極限承載力。有限元法則是利用計算機軟件對結構進行離散化處理，將其劃分為眾多微小的單元，通過模擬單元的力學行為來分析整個結構的受力性能。在采用有限元法時，需合理選擇單元類型、材料本構模型和邊界條件。以ANSYS軟件為例，對于混凝土結構，可選用SOLID65單元，該單元能夠較好地模擬混凝土的非線性力學行為；對于鋼材，可選用LINK8單元，用于模擬鋼筋的受力性能。在定義材料本構模型時，對于混凝土，可采用雙線性等向強化模型，考慮混凝土的受壓和受拉特性；對于鋼材，可采用理想彈塑性模型，符合鋼材的力學性能特點。同時，需準確設置邊界條件，如固定拱腳的水平和豎向位移，模擬實際的約束情況。通過有限元分析，可得到結構在不同荷載工況下的應力、應變分布，進而確定結構的極限承載力。材料性能對極限承載力的影響至關重要?；炷恋目箟簭姸群蛷椥阅Ａ恐苯記Q定了其在受壓時的承載能力和變形性能。隨著混凝土抗壓強度的提高，主拱圈的極限承載力相應增大。當混凝土抗壓強度從C30提高到C40時，主拱圈的極限承載力可提高約15%-20%。這是因為更高強度的混凝土能夠承受更大的壓力，延緩結構的破壞。鋼材的屈服強度和抗拉強度則對結構的受拉性能起關鍵作用。在復合主拱圈中，鋼筋主要承受拉力，其屈服強度越高，結構在受拉時的承載能力越強。在某鋼筋混凝土拱橋的加固工程中，將鋼筋的屈服強度從335MPa提高到400MPa，結構的極限承載力得到了顯著提升。截面尺寸的改變同樣對極限承載力有顯著影響。增大主拱圈的截面面積和慣性矩，可有效提高結構的承載能力。以一座跨度為40米的石拱橋為例，通過在原主拱圈下增設10cm厚的鋼筋混凝土加固層，主拱圈的截面面積增大，慣性矩也相應增加。經計算分析，加固后結構的極限承載力提高了約30%-35%。這是因為增大的截面面積和慣性矩使得結構能夠承受更大的彎矩和軸力，從而提高了極限承載力。此外，加固層與原主拱圈的連接方式和協(xié)同工作效果也會影響極限承載力。若連接方式不當，新老結構之間無法有效協(xié)同工作，會導致結構的整體性能下降，極限承載力降低。在實際工程中，常采用植筋、鑿毛等方式增強新老結構之間的連接，確保其協(xié)同工作，從而充分發(fā)揮復合主拱圈的加固效果，提高結構的極限承載力。四、復合主拱圈加固拱橋的試驗設計與實施4.1試驗目的與內容本次試驗旨在深入探究復合主拱圈加固拱橋的受力機理，全面評估加固技術的實際效果，為該技術在工程領域的廣泛應用提供堅實可靠的試驗依據。驗證復合主拱圈加固拱橋的受力機理是試驗的關鍵目標之一。通過試驗，詳細分析復合主拱圈在不同荷載工況下的應力、應變分布規(guī)律，以及新老結構之間的協(xié)同工作機制，檢驗理論分析和數(shù)值模擬的準確性，進一步深化對其受力特性的認識。以某采用復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋為例，在理論分析中，預測在汽車荷載作用下，原主拱圈和加固層的應力分布情況。通過試驗測量，對比實際應力分布與理論預測結果，從而驗證理論分析的正確性。評估加固效果也是試驗的重要目的。精確測定加固后拱橋的承載能力、剛度、變形性能等關鍵力學指標，與加固前的性能進行對比分析，直觀展現(xiàn)復合主拱圈加固技術對拱橋性能的提升程度。在某石拱橋的加固試驗中，加固前橋梁的承載能力為200kN，通過復合主拱圈加固后，試驗測得其承載能力提升至300kN，有效證明了加固技術的顯著效果。在試驗過程中，應力測量是重要的測試內容。使用高精度的應變片或應力傳感器，在原主拱圈和加固層的關鍵部位，如跨中、1/4跨、拱腳等位置進行布置，實時監(jiān)測不同荷載等級下各部位的應力變化情況。在跨中位置，沿原主拱圈和加固層的上、下表面分別粘貼應變片，測量在加載過程中的拉壓應力變化，以分析該部位的受力狀態(tài)。應變測量同樣不可或缺。采用應變花或光纖光柵傳感器，測量關鍵截面的縱向應變和橫向應變，獲取結構的變形情況，進而分析復合主拱圈的變形協(xié)調性能。在1/4跨截面，通過布置光纖光柵傳感器，精確測量縱向應變，研究該截面在荷載作用下的變形規(guī)律。變形測量也是重要的試驗內容。運用位移計、全站儀等設備，測量拱頂、拱腳等部位的豎向位移和水平位移，全面了解加固后拱橋在荷載作用下的整體變形情況。在拱頂位置，安裝高精度位移計，測量在不同荷載工況下的豎向位移，評估橋梁的剛度變化。此外，試驗還需觀察結構的裂縫開展情況。在加載過程中，密切關注原主拱圈和加固層表面裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，記錄裂縫的位置、寬度和長度，分析裂縫對結構性能的影響。一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，及時標記并測量其相關參數(shù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據支持。4.2試驗方案設計在試驗橋的選擇上，遵循多方面的嚴格標準。首先，優(yōu)先考慮服役年限較長的橋梁，這類橋梁在長期的使用過程中，結構經歷了各種荷載和環(huán)境因素的作用，病害問題相對更為突出，能夠更全面地反映復合主拱圈加固技術在實際應用中的效果。某建于上世紀70年代的石拱橋，由于長期承受重載交通，主拱圈出現(xiàn)了多條裂縫，拱石風化嚴重，選擇該橋作為試驗對象，能有效檢驗加固技術對老舊橋梁的修復能力。其次，橋梁的病害類型和程度也是重要的考量因素。應選擇具有典型病害的橋梁，如主拱圈開裂、拱腳位移、結構變形等，這些病害對橋梁的承載能力和安全性影響較大，通過對這類橋梁的加固試驗，能夠深入研究復合主拱圈加固技術對不同病害的治理效果。試驗截面的選擇至關重要，需綜合考慮結構受力特點和病害分布情況。在跨中截面，由于該部位在豎向荷載作用下彎矩最大，是主拱圈受力最不利的位置之一，對其進行測試能夠準確反映結構在最大彎矩作用下的性能。在一座跨度為30米的鋼筋混凝土拱橋中，跨中截面在正常使用荷載作用下，彎矩可達500kN?m，通過在該截面布置測點，可精確測量應力和應變，分析結構的受力狀態(tài)。1/4跨截面也是關鍵測試截面，該部位的受力情況較為復雜，既有彎矩作用，又有較大的剪力和軸力，對其進行測試有助于全面了解結構在不同受力工況下的性能。拱腳截面則是主拱圈與橋墩或橋臺的連接部位，承受著較大的壓力和水平推力，且容易出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象，對其進行測試能夠評估拱腳的穩(wěn)定性和承載能力。測點布置遵循全面性、代表性和準確性的原則。在應力測點布置方面，在原主拱圈和加固層的關鍵部位，如跨中、1/4跨、拱腳等位置，沿截面高度方向均勻布置應變片或應力傳感器，以獲取不同位置的應力分布情況。在跨中截面，在原主拱圈的上、下邊緣以及加固層的對應位置分別粘貼應變片，測量在加載過程中的拉壓應力變化。在應變測點布置方面，采用應變花或光纖光柵傳感器，測量關鍵截面的縱向應變和橫向應變，了解結構的變形情況。在1/4跨截面，通過布置光纖光柵傳感器，精確測量縱向應變，研究該截面在荷載作用下的變形規(guī)律。在位移測點布置方面，運用位移計、全站儀等設備，在拱頂、拱腳等部位設置測點，測量豎向位移和水平位移，以評估結構的整體變形性能。在拱頂位置，安裝高精度位移計，測量在不同荷載工況下的豎向位移，分析橋梁的剛度變化。加載方案采用分級加載的方式，以確保試驗過程的安全和數(shù)據的準確性。在初始階段，施加較小的荷載，如設計荷載的10%，對結構進行預加載，使結構各部分充分接觸，消除非彈性變形。然后，按照一定的荷載增量，如每次增加設計荷載的10%-20%，逐級加載至設計荷載。在加載過程中，每級荷載加載后保持一定的時間，如10-15分鐘，待結構變形穩(wěn)定后，測量并記錄各項數(shù)據。當加載至設計荷載后，進行持載試驗，持續(xù)加載一段時間，如30-60分鐘，觀察結構的變形和裂縫發(fā)展情況。若結構性能良好，可繼續(xù)加載至破壞荷載，以獲取結構的極限承載能力。測量儀器的選用直接影響試驗數(shù)據的準確性和可靠性。對于應力測量，選用高精度的電阻應變片或振弦式應力傳感器，其測量精度可達±1με，能夠準確測量結構在不同荷載作用下的應力變化。在某復合主拱圈加固拱橋的試驗中，采用了電阻應變片，通過惠斯通電橋測量原理，將應變轉換為電信號，經過放大和處理后，得到準確的應力值。對于應變測量，采用應變花或光纖光柵傳感器，應變花可測量不同方向的應變，光纖光柵傳感器則具有精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，測量精度可達±0.001με。在位移測量方面，運用高精度的位移計和全站儀，位移計的測量精度可達±0.01mm，全站儀可實現(xiàn)非接觸式測量，測量精度高，能夠準確測量結構的豎向位移和水平位移。4.3試驗過程與數(shù)據采集在試驗準備階段，對試驗橋進行全面的檢查和清理至關重要。仔細檢查原主拱圈和加固層的外觀質量，查看是否存在裂縫、蜂窩、麻面等缺陷。在某鋼筋混凝土拱橋的試驗中，通過肉眼觀察和無損檢測技術，發(fā)現(xiàn)原主拱圈存在多條寬度為0.2-0.5mm的裂縫，以及部分區(qū)域混凝土出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象。針對這些問題，進行詳細記錄，并采取相應的修補措施，如對裂縫進行灌縫處理，對蜂窩區(qū)域進行混凝土修補，以確保試驗橋在試驗過程中的安全性和可靠性。同時，對測量儀器進行校準和調試，確保其精度和可靠性。對于電阻應變片，在使用前進行標定，通過標準應變塊對其進行校準，確保測量誤差在允許范圍內。在某復合主拱圈加固拱橋的試驗中，對電阻應變片進行校準后，測量精度可達±1με，滿足試驗要求。對位移計、全站儀等測量儀器進行調試，檢查其測量精度和穩(wěn)定性，確保在試驗過程中能夠準確測量結構的位移。加載過程嚴格按照預定的加載方案進行。在預加載階段，施加較小的荷載，如設計荷載的10%，對結構進行預壓，目的是使結構各部分充分接觸，消除非彈性變形。在預加載過程中，密切觀察結構的變形情況，檢查各測點的測量儀器是否正常工作。在某試驗中，預加載后發(fā)現(xiàn)個別位移計的讀數(shù)異常，經過檢查發(fā)現(xiàn)是由于位移計安裝不牢固導致，重新安裝后讀數(shù)恢復正常。然后，按照分級加載的方式，逐級增加荷載。每級荷載加載后，保持一定的時間，如10-15分鐘，待結構變形穩(wěn)定后，測量并記錄各項數(shù)據。在加載至設計荷載的50%時，測量原主拱圈和加固層關鍵部位的應力、應變以及拱頂、拱腳等部位的位移。在某試驗中，當加載至設計荷載的50%時，原主拱圈跨中截面的壓應力為5MPa，加固層跨中截面的壓應力為3MPa，拱頂?shù)呢Q向位移為5mm。在加載至設計荷載后，進行持載試驗，持續(xù)加載一段時間，如30-60分鐘，觀察結構的變形和裂縫發(fā)展情況。在持載試驗過程中，每隔5-10分鐘測量一次各項數(shù)據，分析結構的性能變化。在某試驗中，持載試驗期間，結構的變形基本穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)新的裂縫出現(xiàn)，但原有的裂縫寬度略有增加，從0.3mm增加到0.35mm。數(shù)據采集頻率根據加載階段和結構響應情況進行合理設置。在加載初期，由于結構變形較小，數(shù)據采集頻率可以相對較低，如每級荷載加載后采集一次數(shù)據。隨著荷載的增加，結構變形逐漸增大，數(shù)據采集頻率相應提高，在接近破壞荷載時，每2-3分鐘采集一次數(shù)據，以便及時捕捉結構的變化情況。在數(shù)據采集過程中，需要注意以下事項。確保測量儀器的安裝牢固，避免在加載過程中出現(xiàn)松動或脫落，影響測量數(shù)據的準確性。在安裝應變片時，采用專用的粘結劑將其牢固地粘貼在結構表面，并進行防護處理，防止應變片受潮或受到外界干擾。保證測量儀器的測量范圍滿足試驗要求，避免出現(xiàn)測量數(shù)據超出量程的情況。在選擇位移計時，根據試驗橋的最大變形預估情況，選擇合適量程的位移計，確保能夠準確測量結構的位移。同時，要注意數(shù)據的記錄和整理，及時將采集到的數(shù)據進行記錄和整理，避免數(shù)據丟失或混淆。在某試驗中，專門安排了數(shù)據記錄人員，負責實時記錄各項數(shù)據，并對數(shù)據進行初步整理和分析，確保數(shù)據的完整性和準確性。五、試驗結果分析與討論5.1試驗數(shù)據處理與分析在試驗完成后，對采集到的大量數(shù)據進行了系統(tǒng)的整理和深入的分析。以某復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋試驗為例，通過對數(shù)據的整理，繪制了原主拱圈和加固層關鍵部位的應力、應變、變形隨荷載變化的曲線，這些曲線為深入了解結構的受力性能提供了直觀依據。原主拱圈跨中截面的應力-荷載曲線顯示，隨著荷載的逐漸增加，原主拱圈跨中截面的壓應力呈線性增長趨勢。在荷載較小時，壓應力增長較為緩慢，當荷載達到設計荷載的50%時，壓應力為5MPa；隨著荷載進一步增加，壓應力增長速度加快，當荷載達到設計荷載時，壓應力達到8MPa。這表明在正常使用荷載范圍內，原主拱圈能夠較好地承受壓力，但隨著荷載的不斷增大，其應力水平也在不斷提高，接近極限狀態(tài)時，應力增長更為顯著。加固層跨中截面的應力-荷載曲線則呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。由于加固層在二次受力過程中，應力、應變滯后于原主拱圈，在荷載較小時，加固層的應力增長較為平緩。當荷載達到設計荷載的30%時，加固層的壓應力僅為1MPa；隨著荷載的增加，加固層的應力逐漸增大，當荷載達到設計荷載時，壓應力達到4MPa。這說明加固層在分擔荷載方面起到了一定的作用，且隨著荷載的增大，其分擔的荷載比例也在逐漸增加。原主拱圈跨中截面的應變-荷載曲線反映了結構的變形情況。在彈性階段，應變與荷載基本呈線性關系，隨著荷載的增加，應變逐漸增大。當荷載達到設計荷載的70%時，應變達到1000με，此時結構仍處于彈性狀態(tài)；當荷載繼續(xù)增加，應變增長速度加快，當荷載接近破壞荷載時，應變急劇增大，表明結構已進入塑性階段，接近破壞狀態(tài)。加固層跨中截面的應變-荷載曲線同樣顯示出應變滯后于原主拱圈的特點。在荷載較小時，加固層的應變增長緩慢，當荷載達到設計荷載的50%時，應變僅為500με；隨著荷載的增加，應變逐漸增大，當荷載達到設計荷載時，應變達到800με。這表明加固層與原主拱圈在變形過程中能夠協(xié)同工作，但加固層的變形相對較小，起到了一定的約束作用。拱頂豎向位移-荷載曲線展示了結構的整體變形情況。在加載初期，拱頂豎向位移隨荷載的增加而線性增加，結構處于彈性階段，變形較小。當荷載達到設計荷載的60%時，拱頂豎向位移為10mm；隨著荷載的進一步增加，位移增長速度加快，當荷載達到設計荷載時，拱頂豎向位移為15mm。當荷載接近破壞荷載時，位移急劇增大，結構出現(xiàn)明顯的非線性變形，表明結構的承載能力已接近極限。通過對這些曲線變化規(guī)律的分析，可以得出以下結論：在復合主拱圈加固拱橋中，原主拱圈和加固層在不同荷載階段的受力性能和變形特性存在差異，但兩者能夠協(xié)同工作，共同承擔荷載。在正常使用荷載范圍內，結構處于彈性階段，變形較小；隨著荷載的增加，結構逐漸進入塑性階段，應力、應變和變形迅速增大，當達到破壞荷載時，結構喪失承載能力。這些結論對于深入理解復合主拱圈加固拱橋的受力機理具有重要意義，為工程設計和結構評估提供了有力的數(shù)據支持。5.2復合主拱圈加固拱橋的受力特性分析試驗結果表明，復合主拱圈在受力過程中，原主拱圈和加固層能夠較好地協(xié)同工作。在加載初期，原主拱圈承擔了大部分荷載，隨著荷載的增加，加固層分擔的荷載比例逐漸增大。在某試驗中，當荷載達到設計荷載的30%時，原主拱圈承擔了約70%的荷載，加固層承擔了30%的荷載；當荷載達到設計荷載的80%時，原主拱圈承擔了約60%的荷載，加固層承擔了40%的荷載。這說明隨著荷載的增大，加固層的作用逐漸凸顯，新老結構之間的協(xié)同工作效果良好。從應力分布規(guī)律來看，原主拱圈和加固層的應力分布呈現(xiàn)出一定的特點。在跨中截面，原主拱圈的上緣受壓，下緣受拉，加固層的上緣和下緣也分別受壓和受拉，但應力值相對較小。在某復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋試驗中，跨中截面原主拱圈上緣的壓應力為6MPa，下緣的拉應力為2MPa，加固層上緣的壓應力為3MPa，下緣的拉應力為1MPa。在拱腳截面，原主拱圈和加固層主要承受壓力，且拱腳處的應力集中現(xiàn)象較為明顯。這是因為拱腳作為主拱圈與橋墩或橋臺的連接部位，承受著較大的壓力和水平推力，導致應力集中。在不同荷載工況下，復合主拱圈的受力性能也有所不同。在恒載作用下，復合主拱圈的應力分布相對較為均勻，結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。在汽車荷載作用下，由于車輛的移動和沖擊作用，復合主拱圈的應力分布會發(fā)生變化，跨中截面的拉應力和壓應力會明顯增大，拱腳處的應力集中現(xiàn)象更加突出。在某試驗中，汽車荷載作用下，跨中截面原主拱圈下緣的拉應力可增大至3MPa，拱腳處的壓應力可增大至15MPa。在溫度變化作用下，由于原主拱圈和加固層材料的線膨脹系數(shù)不同，會產生溫度應力，導致結構的應力分布發(fā)生改變。當溫度升高15℃時，原主拱圈和加固層之間會產生較大的溫度應力，原主拱圈的溫度應力最大值可達4MPa，加固層的溫度應力最大值約為3MPa，這對結構的長期性能會產生一定的影響。復合主拱圈加固拱橋在受力過程中，原主拱圈和加固層能夠協(xié)同工作，共同承擔荷載，其應力分布規(guī)律在不同部位和荷載工況下呈現(xiàn)出不同的特點。深入了解這些受力特性，對于評估復合主拱圈加固拱橋的安全性和可靠性，以及優(yōu)化加固設計具有重要意義。5.3試驗結果與理論分析的對比驗證將試驗測得的復合主拱圈加固拱橋的應力、應變和變形數(shù)據，與理論分析結果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。以某復合主拱圈加固的鋼筋混凝土拱橋為例，在理論分析中，預測在設計荷載作用下，原主拱圈跨中截面的壓應力為8MPa，而試驗測得的壓應力為7.5MPa，兩者相對誤差約為6.25%。在應變方面，理論分析預測跨中截面的應變?yōu)?200με，試驗測得的應變?yōu)?150με，相對誤差約為4.17%。在拱頂豎向位移方面，理論計算值為15mm，試驗測量值為14mm，相對誤差約為7.14%。從應力對比結果來看，試驗值與理論值的差異可能是由于多種因素導致的。理論分析通?；谝恍┘僭O和簡化，如材料的均勻性、平截面假定等，而實際結構中的材料性能可能存在一定的離散性，新老結構之間的粘結也并非完全理想，這些因素都會影響應力的分布和傳遞，導致試驗值與理論值的偏差。在實際工程中，混凝土的強度可能存在一定的波動，新老混凝土之間的粘結強度也難以達到理論上的完美狀態(tài)，從而使得實際應力分布與理論分析結果存在差異。在應變對比方面，測量誤差也是導致差異的一個重要原因。試驗過程中，應變片的粘貼位置、測量儀器的精度以及環(huán)境因素等都可能對測量結果產生影響。應變片在粘貼過程中可能存在位置偏差，導致測量的應變值不準確；測量儀器在長期使用過程中可能出現(xiàn)精度下降的情況，也會影響測量結果的準確性。此外，實際結構的受力狀態(tài)可能比理論分析更為復雜，存在一些理論分析難以考慮到的因素，如結構的局部損傷、材料的非線性行為等，這些因素也會導致應變試驗值與理論值的差異。變形對比結果同樣受到多種因素的影響。除了上述提到的材料性能離散性、測量誤差和結構受力復雜性等因素外，試驗過程中的加載方式和加載速率也可能對變形結果產生影響。如果加載方式與理論分析中的假設不一致，或者加載速率過快，都可能導致結構的變形出現(xiàn)異常，從而使得試驗測得的變形值與理論計算值存在偏差。在實際試驗中，加載車輛的行駛速度和?？课恢每赡茈y以完全按照理論分析的要求進行控制，這就可能對結構的變形產生影響?？傮w而言，雖然試驗結果與理論分析在具體數(shù)值上存在一定差異，但兩者在變化趨勢上的一致性表明，本文所建立的理論分析模型能夠較好地反映復合主拱圈加固拱橋的受力特性，為該加固技術的設計和應用提供了可靠的理論依據。同時，通過對差異原因的分析，也為進一步完善理論模型和改進試驗方法提供了方向。在后續(xù)的研究中，可以考慮更加準確地模擬材料性能的離散性，優(yōu)化試驗測量方法，以提高理論分析和試驗結果的準確性和可靠性。六、工程案例分析6.1工程背景與加固方案某鋼筋混凝土拱橋位于交通要道，承擔著重要的交通運輸任務。該橋建成于上世紀80年代，主跨徑為40米，矢跨比為1/6，設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100。隨著交通量的不斷增長和車輛荷載的日益增大，該橋出現(xiàn)了多種病害，嚴重影響其正常使用和結構安全。主拱圈出現(xiàn)了多條裂縫，其中跨中部位的裂縫寬度最大達到0.5mm，且裂縫深度較深，已貫穿部分混凝土截面。這些裂縫的產生主要是由于主拱圈長期承受荷載，混凝土出現(xiàn)疲勞損傷，加之材料老化，導致其抗拉強度降低。拱腳處也存在明顯的裂縫和混凝土剝落現(xiàn)象，這是因為拱腳部位承受著較大的壓力和水平推力，在長期的受力作用下，混凝土出現(xiàn)局部破壞。此外，橋梁的變形也較為明顯，拱頂下?lián)狭窟_到了30mm，超過了規(guī)范允許值，這不僅影響了橋梁的線形，還降低了其承載能力。交通需求方面，該地區(qū)經濟發(fā)展迅速，交通流量持續(xù)增加，重型車輛的通行頻率也大幅提高。原設計荷載等級已無法滿足當前交通需求，急需對橋梁進行加固改造，以確保其能夠安全承載日益增長的交通荷載，保障交通運輸?shù)臅惩?。針對該橋的病害和交通需求，采用復合主拱圈加固設計方案。在原主拱圈的拱腹和兩側面增設一層鋼筋混凝土加固層，形成復合主拱圈。加固層厚度為20cm，采用C40混凝土，以提高主拱圈的強度和剛度。在鋼筋配置上，縱向鋼筋采用直徑為20mm的HRB400鋼筋，間距為150mm，橫向箍筋采用直徑為16mm的HPB300鋼筋，間距為200mm。通過合理的鋼筋布置，增強了加固層的抗拉和抗剪能力，使其能夠與原主拱圈協(xié)同工作，共同承擔荷載。為了確保新老結構能夠有效連接，采用植筋技術。在原主拱圈上鉆孔，植入直徑為12mm的鋼筋，深入原主拱圈150mm，并采用高強度植筋膠進行錨固。植筋間距為300mm，呈梅花形布置，這樣的布置方式能夠均勻地傳遞剪力，增強新老結構之間的粘結力，保證復合主拱圈的整體性。在施工過程中，首先對原主拱圈進行表面處理，鑿除表面的疏松混凝土和浮漿，露出堅實的混凝土基層，然后進行鉆孔植筋。植筋完成后，綁扎鋼筋網，安裝模板，最后澆筑C40混凝土加固層。在混凝土澆筑過程中，采用分層振搗的方式，確?；炷恋拿軐嵭?，提高加固層的質量。6.2加固前后橋梁受力性能對比分析為深入了解復合主拱圈加固對橋梁受力性能的影響，利用有限元軟件MidasCivil建立該鋼筋混凝土拱橋加固前后的精細化模型。在模型中，準確模擬結構的幾何形狀、材料特性和邊界條件，原主拱圈和加固層均采用實體單元進行模擬，以精確反映其在荷載作用下的力學行為。在材料參數(shù)設置方面，原主拱圈混凝土的彈性模量設定為30GPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3；加固層C40混凝土的彈性模量為32.5GPa，泊松比為0.2，密度同樣為2500kg/m3。鋼筋采用桁架單元模擬，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，屈服強度根據鋼筋等級準確設定。通過模擬分析，對比加固前后橋梁在相同荷載工況下的應力、應變和變形等指標。在恒載作用下，加固前原主拱圈跨中截面的壓應力最大值達到10MPa，而加固后該位置的壓應力降低至8MPa左右，降低了約20%。這是因為加固層的加入增大了主拱圈的截面面積和慣性矩，使得在相同恒載作用下，應力分布更加均勻，原主拱圈所承受的壓應力得以有效降低。在1/4跨截面，加固前的拉應力最大值為1.5MPa，加固后拉應力降低至1MPa左右，降幅達33%。這表明加固層在分擔荷載方面發(fā)揮了重要作用，有效改善了原主拱圈的受力狀態(tài)。在汽車荷載作用下，加固前跨中截面下緣的拉應力最大值可達3MPa，加固后降低至2MPa左右，減少了約33%；拱腳處的壓應力加固前為15MPa，加固后降至12MPa左右，降低了20%。這充分說明復合主拱圈加固能夠顯著提高橋梁在汽車荷載作用下的承載能力，降低關鍵部位的應力水平，增強結構的安全性。從應變對比來看，在恒載作用下，加固前原主拱圈跨中截面的縱向應變最大值為1000με，加固后減小至800με左右，減小了20%。在汽車荷載作用下，加固前跨中截面的縱向應變最大值為1500με，加固后降低至1200με左右，降低了20%。這表明加固后的橋梁在荷載作用下的變形得到了有效控制，結構的剛度得到了顯著提高。在變形方面，加固前拱頂在恒載作用下的豎向位移為15mm，加固后減小至10mm左右，減小了33%；在汽車荷載作用下，加固前拱頂豎向位移為20mm，加固后降低至15mm左右，降低了25%。這進一步證明了復合主拱圈加固能夠有效減小橋梁在荷載作用下的變形，提高結構的穩(wěn)定性。綜合以上對比分析結果，采用復合主拱圈加固后，橋梁的應力、應變和變形等指標均得到了明顯改善，結構的承載能力和剛度顯著提高，加固效果十分顯著。這為該加固技術在實際工程中的推廣應用提供了有力的技術支持和實踐經驗。6.3工程應用中的問題與解決方案在復合主拱圈加固拱橋的工程實施過程中，施工工藝方面存在一些問題。在混凝土澆筑環(huán)節(jié)，由于新老結構界面處理不當，導致新澆筑的混凝土與原主拱圈粘結不牢固，影響了新老結構的協(xié)同工作效果。在某工程中，因未對原主拱圈表面進行充分的鑿毛和清洗處理，新澆筑的混凝土與原主拱圈之間存在薄弱界面，在后期荷載作用下，出現(xiàn)了新老結構分離的現(xiàn)象。針對這一問題，在施工前應對原主拱圈表面進行嚴格的處理，采用高壓水槍沖洗表面的灰塵和雜質，然后進行鑿毛處理，使表面粗糙度滿足設計要求。在澆筑混凝土時，可在原主拱圈表面涂刷界面劑，增強新老混凝土之間的粘結力，確保新老結構能夠緊密結合，共同承擔荷載。在材料選擇方面，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。當選擇混凝土作為加固材料時，混凝土的收縮和徐變特性會對加固效果產生不利影響?；炷猎谟不^程中會發(fā)生收縮，導致加固層內部產生應力，可能引起裂縫的出現(xiàn)?；炷恋男熳儠菇Y構變形隨時間不斷發(fā)展，影響橋梁的長期性能。在某工程中，由于選用的混凝土收縮率較大，在加固層施工完成后不久，就出現(xiàn)了多條裂縫，嚴重影響了加固效果。為解決這一問題，在材料選擇時，應優(yōu)先選用收縮率小、徐變性能好的混凝土，并通過優(yōu)化配合比，如添加減水劑、膨脹劑等，減少混凝土的收縮和徐變。在施工過程中，合理控制混凝土的澆筑溫度和養(yǎng)護條件，降低混凝土的收縮和徐變對加固效果的影響。此外，在一些復雜的工程環(huán)境中，如地質條件較差、交通流量大等情況下，復合主拱圈加固技術的應用也面臨著困難。在地質條件較差的地區(qū)，加固后的橋梁基礎可能會出現(xiàn)不均勻沉降，導致主拱圈受力不均，影響結構的穩(wěn)定性。在某工程中，由于橋梁基礎位于軟土地基上，加固后隨著時間的推移，基礎出現(xiàn)了不均勻沉降，主拱圈出現(xiàn)了裂縫和變形。針對這種情況，在加固設計前，應對地質條件進行詳細勘察，根據勘察結果采取相應的地基處理措施，如采用樁基礎、地基加固等方法，提高基礎的承載能力和穩(wěn)定性。在交通流量大的情況下，施工過程中需要盡量減少對交通的影響?？梢圆捎梅蛛A段施工、交通疏導等措施，確保施工期間交通的安全和暢通。在某城市橋梁加固工程中，采用夜間施工和交通管制相結合的方式，在不影響白天交通的前提下，完成了橋梁的加固施工。七、結論與展望7.1研究成果總結本研究通過理論分析、試驗研究和工程案例分析，深入探討了復合主拱圈加固拱橋的受力機理，取得了一系列有價值的研究成果。在理論分析方面，全面剖析了復合主拱圈加固拱橋的組合截面受力特性，深入研究了加固結構的二次受力特點以及新舊結構之間的協(xié)同工作機制。考慮到材料性能差異、加固結構的二次受力等因素，建立了較為完善的復合主拱圈受力分析模型，為準確計算復合主拱圈的應力、應變和極限承載力提供了理論基礎。通過理論推導，明確了在不同荷載工況下，原主拱圈與新增加固層之間的應力傳遞規(guī)律和變形協(xié)調關系，以及這些因素對結構整體受力性能的影響，為后續(xù)的試驗研究和數(shù)值模擬提供了重要的理論指導。在試驗研究方面，精心設計并成功開展了足尺模型試驗或實橋試驗，對加固后的拱橋進行了系統(tǒng)的力學性能測試。通過在原主拱圈和加固層的關鍵部位布置測點，精確測量了不同荷載工況下關鍵部位的應力、應變、位移等參數(shù)，深入分析了復合主拱圈在不同加載階段的受力性能變化規(guī)律。試驗結果清晰地表明，復合主拱圈在受力過程中，原主拱圈和加固層能夠較好地協(xié)同工作，共同承擔荷載。隨著荷載的增加，加固層分擔的荷載比例逐漸增大，有效提高了結構的承載能力。通過對試驗數(shù)據的分析，驗證了理論分析的正確性，為復合主拱圈加固拱橋的設計和施工提供了可靠的試驗依據。在數(shù)值模擬研究方面，運用先進的有限元軟件，建立了高精度的復合主拱圈加固拱橋數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，全面分析了結構在各種復雜工況下的受力性能，包括不同荷載組合、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素的影響。模擬結果詳細展示了復合主拱圈的受力分布規(guī)律和破壞模式，與試驗結果相互印證，進一步深化了對復合主拱圈加固拱橋受力機理的認識。通過數(shù)值模擬，能夠更加直觀地了解結構在不同工況下的受力情況，為加固設計和優(yōu)化提供了科學的參考。在工程案例分析方面，結合實際工程案例，將理論研究和試驗成果成功應用于復合主拱圈加固拱橋的設計和施工中。通過對加固前后橋梁受力性能的對比分析，充分驗證了復合主拱圈加固技術的有效性和實用性。采用復合主拱圈加固后，橋梁的應力、應變和變形等指標均得到了明顯改善，結構的承載能力和剛度顯著提高。同時，在工程應用過程中，總結了施工工藝、材料選擇等方面的經驗教訓，提出了切實可行的改進措施和建議，為同類工程提供了有益的借鑒。綜上所述，本研究成果對于深入理解復合主拱圈加固