基于有限元分析的剛架拱橋加固方法和加固效果評(píng)估研究

郎丹妮

（哈爾濱市市政工程設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150070）

基于有限元分析的剛架拱橋加固方法和加固效果評(píng)估研究

郎丹妮

（哈爾濱市市政工程設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150070）

結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)，針對(duì)不同病害，選擇了相應(yīng)的加固措施；借助Mdias Civil軟件平臺(tái)，建立依托工程有限元分析模型，對(duì)剛架拱橋進(jìn)行理論加固計(jì)算；通過(guò)動(dòng)靜載試驗(yàn)，對(duì)加固前后的撓度、應(yīng)變、承載能力等方面參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，加固方案合理可行，加固效果良好。

剛架拱橋；加固措施；有限元分析；效果評(píng)估

0 引言

剛架拱橋是我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)針對(duì)不同地形條件逐漸發(fā)展起來(lái)的一種橋型。它綜合了不同類型拱橋（如雙曲拱橋、桁架拱橋）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。自從剛架拱橋結(jié)構(gòu)被發(fā)明以來(lái)，因其獨(dú)特的外形、結(jié)構(gòu)，輕巧的形態(tài)，以及施工用料省、可利用的方法多等優(yōu)點(diǎn)，使得其在我國(guó)公路、市政等工程建設(shè)中被廣泛使用。我國(guó)橋梁建設(shè)由于不同時(shí)期建設(shè)理念的不同，采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有所不同，導(dǎo)致早期建設(shè)的橋梁難以滿足現(xiàn)有條件下的交通需求。出于開(kāi)放交通和節(jié)約資源的考慮，大部分均采用不同的方式進(jìn)行加固處理[1,2]。在我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)新形勢(shì)和新環(huán)境下，針對(duì)特定的橋梁工程采用多種手段合理評(píng)估舊橋安全狀態(tài)，結(jié)合交通出行和管理等多方面因素考慮，提出合理的維修加固方案，對(duì)提高在役橋梁使用性能、方便居民出行、節(jié)約資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3，4]。

1 工程概況

哈爾濱市群力新區(qū)康安路路橋工程西起跨躍進(jìn)路橋引道前200 m處（0+600），東至城市二環(huán)路（前進(jìn)路與康安路交叉口），全長(zhǎng)1 617 m。該工程?hào)|連道里區(qū)，西通群力新區(qū)，中間包含何家溝上跨橋。何家溝上跨橋?yàn)橐豢?0 m剛架拱橋，路線交角為90°，橋梁全長(zhǎng)52.82 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載為城市A級(jí)；人群：3.5 kN/m2。橋面橫向布置：5.0 m人行道+15.50 m行車道+0.6 m中央分隔帶+15.50 m行車道+5.0 m人行道=41.60 m。

上部結(jié)構(gòu)包括：跨徑為50 m的剛架拱，矢高6.25 m，矢跨比1/8。上部拱片及微彎板采用預(yù)制拼裝，全橋共由13道拱片組成，每道拱片由實(shí)腹段、內(nèi)弦桿、外弦桿、斜撐、主拱腿構(gòu)件組成，實(shí)腹段及內(nèi)外弦桿間對(duì)稱布設(shè)16道橫系梁，主拱腿間設(shè)2道橫系梁。

下部結(jié)構(gòu)包括：鋼筋混凝土輕型橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 主要病害及成因分析

2.1 主要病害

（1）上部結(jié)構(gòu)

拱片實(shí)腹端跨中拼接處開(kāi)裂，鋼板銹蝕，跨中存在豎向裂縫，間距不等，數(shù)量較多。弦桿存在裂縫，部分呈U型。次拱腿存在橫向裂縫，次拱腿與外弦桿現(xiàn)澆混凝土接頭處上部混凝土存在輕微碎裂現(xiàn)象，混凝土疏松剝落，該情況以0#臺(tái)側(cè)較為明顯。微彎板局部破損露筋，并存在橫、縱向裂縫，微彎板小橫梁存在裂縫。橫系梁存在豎向裂縫，并且與拱片連接處存在錯(cuò)位、下沉及開(kāi)裂現(xiàn)象。

（2）下部結(jié)構(gòu)

臺(tái)帽破損、露筋、滲水，局部橫向開(kāi)裂，兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)身存在明顯豎向裂縫。0#臺(tái)臺(tái)身共有15條豎向裂縫，其中10條裂縫為豎向貫通裂縫，其余裂縫從下往上發(fā)展，最長(zhǎng)的裂縫2.1 m，裂縫寬度0.16～1.2 mm，裂縫深度10～17.7 cm。1#臺(tái)臺(tái)身共有13條豎向裂縫，其中4條裂縫為豎向貫通裂縫，其余裂縫從下往上發(fā)展，裂縫寬度0.06～0.6 mm，裂縫深度9～16 cm。

（3）橋面鋪裝

橋面瀝青混凝土鋪裝層磨損較為嚴(yán)重，表面局部露骨，并且存在橫縱向開(kāi)裂，主要集中在中央分隔帶兩側(cè)5 m范圍內(nèi)，縱向開(kāi)裂6條，長(zhǎng)1.6～49.4 m，橫向開(kāi)裂6條，長(zhǎng)2.9～8.5 m。

2.2 病害原因分析

一般情況下，剛架拱橋的理論設(shè)計(jì)是以恒載作用下構(gòu)件內(nèi)力彎矩最小為基本原則，由于結(jié)構(gòu)輕盈、截面尺寸相對(duì)較小，構(gòu)件對(duì)上部荷載增加或者動(dòng)荷載較為敏感。在通車初期，由于該橋所處位置周邊路網(wǎng)連接度不良，此橋作為連接群力新區(qū)和老城區(qū)的唯一主干道，不同類型的貨運(yùn)載重汽車（如土方作業(yè)車輛、大型貨物運(yùn)輸車輛、拖掛車等）頻繁通行，使得實(shí)際荷載和交通量大大超過(guò)原設(shè)計(jì)交通量和荷載標(biāo)準(zhǔn)，致使橋梁不堪負(fù)重，局部位置出現(xiàn)裂縫。

拱片間通過(guò)橫系梁連接成為整體，但橫系梁截面尺寸較小，致使全橋橫向整體性欠佳，在長(zhǎng)期使用后，一旦橫系梁自身在荷載作用下出現(xiàn)不同程度裂縫，會(huì)進(jìn)一步削弱構(gòu)件之間的橫向連接，使得上部荷載的橫向分布受到不良影響，容易造成單一拱片獨(dú)自受力或者僅有幾個(gè)拱片受力，這只會(huì)加劇拱橋病害的進(jìn)一步發(fā)展[5]。

3 加固方案及加固效果分析

3.1 加固方案

根據(jù)依托工程剛架拱橋?qū)嶋H病害狀況，結(jié)合工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、施工可行性等多方面因素，經(jīng)專家論證，推薦采用粘貼鋼板加固法進(jìn)行病害處理。依托工程加固示意如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固示意圖（單位：cm）

（1）拱片：對(duì)拱片跨中實(shí)腹段以拱頂為中心兩側(cè)曲線長(zhǎng)度6.25 m范圍內(nèi)采用U型鋼板外包，鋼板厚度10 mm，U型外包結(jié)束點(diǎn)至大節(jié)點(diǎn)外包U型鋼板條，鋼板條厚度6 mm，鋼板條設(shè)置壓條，壓條厚度6 mm，壓條底面設(shè)置鋼板墊片。其中橫系梁位置U型鋼板條厚度為10 mm。對(duì)拱片內(nèi)、外弦桿底緣粘貼8 mm的鋼板條，對(duì)內(nèi)、外弦桿側(cè)面粘貼厚度為10 mm的鋼板。對(duì)大小節(jié)點(diǎn)采用厚度10 mm的異形鋼板外包。主拱腿1.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)外包鋼板焊接，鋼板厚度6 mm。對(duì)拱片縫寬≥0.15 mm的裂縫，借助化學(xué)原理，利用灌注膠進(jìn)行裂縫的化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理；對(duì)拱片縫寬＜0.15 mm的裂縫，進(jìn)行表面封閉處理。拱片局部破損區(qū)域采用改性環(huán)氧樹(shù)脂砂漿修補(bǔ)。

（2）橫系梁：對(duì)橫系梁外包U型鋼板，并與拱片側(cè)面和底緣外包鋼板焊接。橫系梁加固前應(yīng)先對(duì)原橫系梁接頭處混凝土進(jìn)行檢查，原設(shè)計(jì)為預(yù)制拼裝構(gòu)件，橫系梁預(yù)埋件與拱片預(yù)埋件焊接，并現(xiàn)澆混凝土。對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的橫系梁接頭處混凝土進(jìn)行鑿除，對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行除銹并補(bǔ)焊，然后澆筑超早強(qiáng)微膨脹C40混凝土，橫系梁接頭處理完畢后方可外包鋼板加固。對(duì)橫系梁縫寬≥0.15 mm的裂縫，采用優(yōu)質(zhì)的灌注膠進(jìn)行裂縫的化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)橫系梁縫寬＜0.15 mm的裂縫，進(jìn)行表面封閉。

（3）微彎板：將微彎板局部破損處混凝土鑿除，對(duì)外漏鋼筋進(jìn)行除銹阻銹，然后采用改性環(huán)氧樹(shù)脂砂漿修補(bǔ)。對(duì)微彎板及微彎板小橫梁裂縫進(jìn)行封閉處理。對(duì)橫系梁縫寬≥0.15 mm的裂縫，采用優(yōu)質(zhì)的灌注膠進(jìn)行裂縫的化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)橫系梁縫寬＜0.15 mm的裂縫，進(jìn)行表面封閉。

3.2 加固效果評(píng)估

對(duì)該工程采用Midas Civil空間有限元分析軟件進(jìn)行建模，加固橋梁采用鋼板與混凝土雙單元共節(jié)點(diǎn)處理，在建模時(shí)做如下模擬：拱肋、主拱腿、次拱腿、橫系梁采用空間梁?jiǎn)卧M，橋面采用梁格法模擬通過(guò)彈性連接中的剛性連接與主梁連接，主梁與主拱圈剛性連接。全橋模型共計(jì)2 822個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 261個(gè)單元[6]。同時(shí)，為了評(píng)估加固效果的好壞，結(jié)合動(dòng)靜載試驗(yàn)效果對(duì)比分析加固前后橋梁性能的變化，具體如圖2所示。加固效果評(píng)估靜載試驗(yàn)工況設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 加固靜載試驗(yàn)工況設(shè)置表

3.3 加固前后撓度變形分析

在工況1試驗(yàn)荷載作用下，控制截面撓度加固前后實(shí)測(cè)值和理論值見(jiàn)表2和表3。

表2 工況1作用下加固前滿載時(shí)撓度橫向分布

表3 工況1作用下加固后滿載時(shí)撓度橫向分布

由實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬理論分析對(duì)比結(jié)果可以看出，在工況1荷載作用下，滿載時(shí)實(shí)測(cè)撓度橫向分布和理論計(jì)算撓度橫向分布趨勢(shì)基本一致，實(shí)測(cè)值與理論值存在差異，且實(shí)測(cè)拱片跨中撓度均小于理論計(jì)算的撓度值。加固后橋梁的整體剛度大幅提高，測(cè)試斷面撓度有所減小，達(dá)到了加固的要求。

3.4 加固前后應(yīng)變分析

在工況2荷載作用下，橋梁加固后控制斷面應(yīng)變實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值、校驗(yàn)系數(shù)相關(guān)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表 4、表 5。

表4 加固前工況2作用下控制截面應(yīng)力表

表5 加固后工況2作用下控制截面應(yīng)力表

由結(jié)果可見(jiàn)：加固前，在工況2荷載作用下，從數(shù)值大小可以看出，控制截面強(qiáng)度能夠滿足城市-A級(jí)汽車荷載的使用要求，但是強(qiáng)度儲(chǔ)備較低；加固后，在工況2荷載作用下，從數(shù)值大小可以看出，截面強(qiáng)度能夠滿足城市-A級(jí)汽車荷載的使用要求，同時(shí)由于粘貼鋼板的作用，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力重分布現(xiàn)象，鋼板承受了一定的應(yīng)力，混凝土應(yīng)力減小，有效地降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

由以上撓度與應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果分析可以得出：加固后橋梁結(jié)構(gòu)彈性工作狀態(tài)良好；實(shí)測(cè)跨中斷面豎向撓度曲線較為平緩，基本與理論曲線一致，說(shuō)明加固后橋梁的橫向聯(lián)結(jié)和荷載橫向傳遞良好；加固后橋梁的強(qiáng)度和剛度滿足試驗(yàn)荷載需求。

3.5 加固前后動(dòng)力性能分析

橋梁加固前后結(jié)構(gòu)固有頻率實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值見(jiàn)表6、表7。

表6 加固前豎向振動(dòng)頻率

加固前，結(jié)構(gòu)阻尼通過(guò)收集動(dòng)載試驗(yàn)過(guò)程的速度、加速度、時(shí)域曲線等相關(guān)信息，得出該橋梁的阻尼比為12.5%，略大于常規(guī)值（1%～10%之間），一定程度上說(shuō)明了結(jié)構(gòu)存在開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)試采集得到加固前后橋梁的一階豎向自振頻率，加固后數(shù)值較加固前增大，表明加固后橋梁較加固前整體振動(dòng)特性良好，橋梁豎向剛度滿足設(shè)計(jì)需求。

3.6 加固后剛架拱橋承載力的分析

結(jié)構(gòu)按照加固維修施工圖設(shè)計(jì)加固措施，選取最不利一片梁采用橋梁博士有限元軟件對(duì)加固后橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。將拱片底緣粘貼鋼板面積折減85%后換算為鋼筋面積，輸入截面底緣，保護(hù)層厚度考慮5 mm。

該橋在使用過(guò)程中，將受到系統(tǒng)溫度、移動(dòng)荷載等多重作用。上述各項(xiàng)作用引起的梁體承載能力極限狀態(tài)荷載組合后，構(gòu)件的抗力與效應(yīng)值如圖3、圖4所示。經(jīng)對(duì)比，抗力大于效應(yīng)值，滿足要求。

圖3 最大抗力及對(duì)應(yīng)效應(yīng)值比較（單位：kN·m）

圖4 最小抗力及彎矩效應(yīng)值比較（單位：kN·m）

由圖3、圖4可知：承載能力極限狀態(tài)下，剛片拱各個(gè)截面均滿足承載能力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.7 加固后截面抗裂與抗剪驗(yàn)算

由圖5、圖6可知，短期效應(yīng)組合下，各截面下緣裂縫均小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2014）第6.4.2條中的規(guī)定：鋼筋混凝土構(gòu)件，其計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過(guò)0.2 mm。

圖5 上緣裂縫（單位：mm）

圖6 下緣裂縫（單位：mm）

拱片弦桿及實(shí)腹段跨中范圍側(cè)面粘貼鋼板，厚度10 mm，實(shí)腹段部分區(qū)域粘貼U型鋼板條，厚度6 mm，抗剪計(jì)算按鋼板條考慮，鋼板條寬度20 cm，厚度6 mm，最大間距55 cm，根據(jù)面積折減85%后折算鋼筋為直徑36 mm。因兩側(cè)均粘貼鋼板，箍筋考慮為雙肢?？辜魪?qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表8，X表示橋梁軸線縱向距離。

由表8可知，正常使用極限狀態(tài)下，剛架拱各個(gè)截面抗剪均滿足要求。

4 結(jié)論

剛架拱橋加固方法有多種，在實(shí)際選擇加固措施過(guò)程中應(yīng)結(jié)合工期、造價(jià)、環(huán)境等多重因素綜合考慮。針對(duì)工程所采用的加固措施，根據(jù)加固前后的靜動(dòng)載試驗(yàn)，采用Midas Civil進(jìn)行空間有限元分析，對(duì)比了原橋在加固前后的靜動(dòng)載試驗(yàn)作用下的力學(xué)性能；對(duì)加固后剛架拱橋承載力和截面抗裂與抗剪驗(yàn)算進(jìn)行分析，表明加固后橋梁滿足規(guī)范及受力要求；體現(xiàn)了橋梁加固后結(jié)構(gòu)受力達(dá)到預(yù)期的效果。加固計(jì)算理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)合能夠更好地評(píng)估加固方案的優(yōu)劣，對(duì)其他類似工程的加固具有一定參考意義。

表8 抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

[1]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程[S].

[2]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]聶建國(guó)，趙潔.鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008,29（5）：50-56.

[4]王春生,高珊,任騰先，等．鋼板－混凝土組合加固帶損傷鋼筋混凝土T梁的抗彎性能試驗(yàn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27(3):94-101．

[5]郭小平.剛架拱橋的評(píng)定檢測(cè)及計(jì)算分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[6]張保材.既有剛架混凝土拱橋的安全性評(píng)估與加固措施研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(8)：14-17.

U445.7+2

B

1009-7716（2017）10-0061-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.018

2017-04-26

郎丹妮（1986-），女，滿族，吉林琿春人，工程師，工程碩士，從事道路與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。