陳彪

（中鐵一院新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

鋼箱加固法在雙曲拱橋加固中的應(yīng)用研究

陳彪

（中鐵一院新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

鋼箱加固法是一種新型的加固方法，其具有加固效果顯著、施工方便、加固后結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好、抗扭剛度大等特點(diǎn)，特別適合于梁、拱式橋梁的主要構(gòu)件加固。分析鋼箱加固法加固橋梁的主要原理，并將其應(yīng)用于雙曲拱橋的加固。通過(guò)理論分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估了橋梁的加固效果。分析結(jié)果表明：雙曲拱橋采用鋼箱法加固以后，其應(yīng)力和撓度均得到較大的提高，取得了良好的加固效果，說(shuō)明鋼箱加固法可以用于雙曲拱橋的加固。

鋼箱加固法；雙曲拱橋；加固機(jī)理；加固效果

雙曲拱橋主拱圈施工時(shí)采用“化整為零、集零成整”的施工方法，造成拱圈在構(gòu)造上橫向穩(wěn)定性不足，容易出現(xiàn)裂縫。在使用工程中，荷載作用下裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致主拱圈承載力不足，進(jìn)而影響橋梁的使用性能。雙曲拱橋主拱圈常見(jiàn)的加固方法主要有：粘貼鋼板法、增大截面法［1］、粘貼碳纖維布等。普通的粘貼鋼板加固對(duì)于提高拱圈的抗壓性能很有限；粘貼碳纖維布主要用于構(gòu)件抗剪加固，對(duì)于增大拱圈的抗壓性能基本不起作用；增大截面法占據(jù)空間較大，影響橋梁凈空。在這種情況下，選擇一種安全可靠、加固效果顯著的加固方法尤為重要，鋼箱加固法就是在這種情況下產(chǎn)生的。

本文主要分析了鋼箱加固法的作用機(jī)理，并將其應(yīng)用于雙曲拱橋的加固，分析了加固效果，分析結(jié)果可以為類(lèi)似橋梁的加固提供一定的參考。

1 鋼箱加固法

鋼箱加固法［2－3］和普通粘貼鋼板加固法相比，既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。其相同之處在于加固所用的材料一樣，都用粘結(jié)劑和加固鋼板。其區(qū)別在于鋼板的布置方式和施工方法不同，如圖1所示，鋼板加固法是直接將鋼板粘貼在梁的底部，或者同時(shí)在梁側(cè)面粘貼鋼板形成U形剛箍，再將側(cè)面鋼板和底面鋼板通過(guò)焊接連接成整體。而鋼箱加固法則是先在梁底面粘貼鋼板，然后側(cè)面鋼板向下伸出一段距離，形成箱室，最后將側(cè)面鋼板和底面鋼板焊接，補(bǔ)全焊接箱室的底面鋼板形成空箱。施工上的不同點(diǎn)在于鋼箱法在形成箱室后，還要向箱室內(nèi)填入微膨脹混凝土。與粘鋼法相比，鋼箱法的優(yōu)點(diǎn)是底面鋼箱內(nèi)填充混凝土后，形成鋼箱—混凝土組合結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性大大優(yōu)于普通粘鋼加固梁。同等條件下，其承載力提高幅度也較大。

圖1 粘貼鋼板法與鋼箱加固法區(qū)別示意圖

2 鋼箱加固法作用機(jī)理研究

鋼筋混凝土梁是由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性質(zhì)差異很大的材料組成的受彎構(gòu)件?；炷量箟盒阅芎?，抗拉性能差，抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1／10左右；而鋼筋的抗拉、壓性能都好。對(duì)于混凝土的受彎梁，在荷載作用下，中性層以上部分為受壓區(qū)，中性層以下部分為受拉區(qū)。由于混凝土抗拉強(qiáng)度很低，在不大的荷載作用下，純混凝土梁就會(huì)在受拉區(qū)開(kāi)裂而破壞，此時(shí)受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度卻沒(méi)有被充分利用。由于鋼材的受拉性能較好，如果在梁受拉區(qū)下邊緣配置適量的鋼筋，利用鋼筋代替混凝土受拉，使得受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度能充分發(fā)揮，這樣就可以提高梁的承載力。進(jìn)一步分析可知，只要在適筋范圍內(nèi)，梁截面配筋率越大，梁截面參與受壓的混凝土越多，梁的抗彎性能越好。而對(duì)于少筋梁，由于配筋過(guò)少，受壓區(qū)混凝土還未充分發(fā)揮作用，鋼筋就已經(jīng)被拉斷了。這說(shuō)明少筋梁和適筋梁都有可能在提高配筋率的條件下使更多的混凝土參與受壓，從而提高梁的抗彎性能［4］。當(dāng)要較大幅度的提高構(gòu)件的承載力時(shí)，普通的鋼板加固對(duì)承載力的提高有限，不能達(dá)到我們所期望的要求。鋼箱加固法就是基于此原理產(chǎn)生的一種鋼筋混凝土梁、拱補(bǔ)強(qiáng)措施。對(duì)于已經(jīng)澆注完成的鋼筋混凝土梁出現(xiàn)抗彎能力不足時(shí)，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)膠將鋼箱粘貼在混凝土梁受拉區(qū)的外邊緣，然后在箱體里填充滿(mǎn)微膨脹混凝土，形成鋼箱—混凝土組合結(jié)構(gòu)［5］。利用鋼箱—混凝土組合結(jié)構(gòu)良好的結(jié)構(gòu)性能來(lái)補(bǔ)充原構(gòu)件抗力不足，使更多的混凝土參與受壓，從而大大提高梁的抗彎性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的目的。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

S309線(xiàn)湟水公路橋位于臨夏市永靖縣，該橋始建于1968年9月，于1969年投入運(yùn)營(yíng)。全長(zhǎng)214.24 m；結(jié)構(gòu)為上承式鋼筋混凝土空腹式等截面懸鏈線(xiàn)雙曲拱橋，跨徑布置為：4m×45m，橋面寬度：凈5.5 m＋2×0.45 m，無(wú)縱坡，橫坡為1.5%；主拱圈斷面尺寸為：30 cm×45 cm，拱軸系數(shù)為：4.324，矢跨比為：1／8，全拱斷面系四肋三波，拱肋分三段預(yù)制，采用300＃鋼筋混凝土，主拱圈厚度為0.85m，拱上為0.25m厚橋面板，兩側(cè)各懸出0.75 m，沿橋縱向每肋間共設(shè)15道12號(hào)槽鋼橫系梁，拱波為200?；炷令A(yù)制塊，矢跨比1／2.85的圓弧拱，厚度8 cm；腹拱系鋼筋混凝土圓弧拱，矢跨比1／2，腹拱墩間凈距3.0 m，厚度0.4 m，腹拱材料為200?；炷令A(yù)制塊；橋面板為現(xiàn)澆150＃鋼筋混凝土；下部結(jié)構(gòu)采用空腹式U型橋臺(tái)，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩為圓端形實(shí)體墩，沉井基礎(chǔ)；本橋的設(shè)計(jì)荷載為：汽－13、拖－60級(jí)，加固前橋梁全景如圖2所示。

圖2 加固前橋梁全景圖

通過(guò)對(duì)湟水河橋現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)橋梁的主要病害集中在以下幾個(gè)方面：①拱肋頂部明顯下沉，拱軸線(xiàn)變形，造成橋面呈現(xiàn)波浪形，側(cè)墻嚴(yán)重開(kāi)裂；②腹拱處微彎板破碎剝落；③人行道欄桿破損。造成病害的原因主要是：①雙曲拱橋整體性不好，不利于橫向內(nèi)力和變形的傳遞，橫向聯(lián)系薄弱，橋面防水功能差，致使拱底滲水；②施工條件所限，采用將拱肋分三段預(yù)制安裝的無(wú)支架施工方法，在拱肋預(yù)制時(shí)由于預(yù)拱度預(yù)留不準(zhǔn)確，拱肋安裝后拱軸線(xiàn)有偏離設(shè)計(jì)拱軸線(xiàn)的現(xiàn)象；③設(shè)計(jì)荷載較低，不能滿(mǎn)足當(dāng)前的交通需求，長(zhǎng)期的超載運(yùn)營(yíng)，使得主拱變形嚴(yán)重。主拱拱頂下沉使得部分拱波被壓碎，側(cè)墻開(kāi)裂，腹拱錯(cuò)位，橋梁線(xiàn)形呈波浪形。

3.2 加固方案

針對(duì)湟水河橋存在的病害情況，經(jīng)過(guò)多方論證，決定采用如下加固方案［6－7］：拱肋采用鋼箱法加固，在主肋肋底沿縱向粘貼H型鋼構(gòu)件，H型鋼構(gòu)件由兩塊寬225mm的鋼板和一塊寬300mm的鋼板焊接而成，安裝完H型構(gòu)件用寬300 mm的鋼板封口使底部形成封閉的鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼板均采用Q235A型鋼板，鋼板厚度為6 mm。用膨脹螺栓沿橋縱向錨固粘貼在肋底的鋼板，用雙頭螺栓錨固腹板兩側(cè)鋼板，在原橫系梁處增設(shè)寬為200mm的鋼板，將該鋼板和鋼箱焊接為整體，在新增橫系梁的下方也采用同樣的錨固鋼板，連同鋼箱焊接為整體，如圖3所示。對(duì)現(xiàn)有的橫系梁采用澆筑混凝土來(lái)加強(qiáng)，在每隔兩道原橫系梁的位置增設(shè)一道新橫系梁，每跨增設(shè)12道，全橋共增設(shè)48道；更換橋梁的鋪裝層、伸縮縫、人行道欄桿；扶正腹拱；側(cè)墻及拱波裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)。修補(bǔ)完成后對(duì)側(cè)墻、立柱及邊拱肋外緣涂刷一層2mm厚水泥漿。

房屋定著物單元除了應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)體上的“界限固定且具有獨(dú)立使用價(jià)值”外，還應(yīng)是建筑工程設(shè)計(jì)方案中明確的并經(jīng)規(guī)劃管理部門(mén)審核認(rèn)定的基本單位。

圖3 湟水河橋拱肋鋼箱加固后斷面圖（單位：cm）

3.3 加固效果分析

3.3.1 有限元模型建立

湟水河橋在采用鋼箱法加固后，采用橋梁計(jì)算專(zhuān)用軟件midas civil 2012建立全橋的有限元模型，為了計(jì)算方便，取全橋一跨作為研究對(duì)象，其中鋼筋和混凝土采用整體式建模，除了拱波采用板單元模擬，別的構(gòu)件一律采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。鋼箱和拱肋采用分離式建模，二者以剛接處理，不考慮材料的非線(xiàn)性效應(yīng)，橋梁的病害情況根據(jù)橋梁狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，通過(guò)單元?jiǎng)偠冗m當(dāng)折減來(lái)模擬。全橋共計(jì)1 352個(gè)節(jié)點(diǎn)，808個(gè)板單元，609個(gè)梁?jiǎn)卧珮蛴邢拊?jì)算模型如圖4所示。圖5為鋼箱和混凝土建模細(xì)部構(gòu)造圖；圖6為橋梁的跨中對(duì)稱(chēng)加載模型，圖7～圖8為橋梁計(jì)算一階振型。

圖4 湟水河橋整體有限元模型

圖5 湟水河橋局部有限元模型

圖6 湟水河橋1／2 L處雙車(chē)對(duì)稱(chēng)加載模型

圖7 第一階豎向振型（6.969Hz）

圖8 第一階橫向振型（5.269Hz）

3.3.2 荷載實(shí)驗(yàn)

（1）靜載實(shí)驗(yàn)

S309線(xiàn)湟水河橋行車(chē)道寬度 w＝4.50 m，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［8］（JTG B01－2003）的相關(guān)規(guī)范要求，橋梁靜載試驗(yàn)按單車(chē)道布置試驗(yàn)車(chē)輛。根據(jù)控制截面的內(nèi)力影響線(xiàn)，試驗(yàn)采用2輛總重330 kN加載車(chē)進(jìn)行等效加載，使控制截面的內(nèi)力與設(shè)計(jì)活載作用下的彎矩之比滿(mǎn)足試驗(yàn)荷載效率的要求。實(shí)驗(yàn)中，位移主要測(cè)試截面為每跨的1／4截面、跨中截面、3／4截面；應(yīng)力測(cè)試截面為3＃橋墩所在處的拱腳截面，共計(jì)兩個(gè)截面8個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖9、圖10所示。

圖9 靜載測(cè)試截面

圖10 應(yīng)力及位移測(cè)點(diǎn)布置示意圖

加載時(shí)，全橋結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)共分7種工況，分別是：

工況1：按第一跨拱頂截面彎矩影響線(xiàn)單車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

工況2：按第一跨拱頂截面彎矩影響線(xiàn)雙車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

工況3：按第一跨3／4L截面彎矩影響線(xiàn)和第二跨1／4L截面彎矩影響線(xiàn)分別按單車(chē)同時(shí)對(duì)稱(chēng)布載；

工況4：按第二跨拱頂截面彎矩影響線(xiàn)雙車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

工況5：按第三跨拱頂截面彎矩影響線(xiàn)雙車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

工況6：按第四跨拱頂截面彎矩影響線(xiàn)單車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

工況7：按第四跨3／4L截面彎矩影響線(xiàn)單車(chē)對(duì)稱(chēng)布載；

限于篇幅，現(xiàn)將部分靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果列入表1、表2。

表1 湟水河橋第二跨各測(cè)點(diǎn)豎向位移理論值、實(shí)測(cè)值、ηw單位：mm

表2 湟水河橋鋼拱箱下緣鋼板各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力 單位：MPa

（2）動(dòng)載實(shí)驗(yàn)

橋面共布置5個(gè)動(dòng)測(cè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，其中脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)包括兩個(gè)豎向測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)，跑車(chē)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)包括一個(gè)豎向動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)具體布置如圖11所示。

圖11 動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

通過(guò)對(duì)自然激勵(lì)響應(yīng)測(cè)得數(shù)據(jù)的模態(tài)辨識(shí)，得到前兩階振動(dòng)模態(tài)頻率值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 自振頻率值

（3）加固效果分析與評(píng)價(jià)

（a）加固前后主拱肋抗彎、抗壓承載能力結(jié)果比較見(jiàn)表4。

表4 加固前后主拱肋抗壓承載能力計(jì)算結(jié)果比較單位：kN

（b）加固前后主拱肋截面撓度結(jié)果比較見(jiàn)表5。

（c）動(dòng)力特性比較見(jiàn)表6。

由表4～表6可知，湟水河橋拱肋采用鋼箱法加固以后，從拱肋抗壓承載力方面來(lái)看，1／4L處承載力提高了9.7%，拱頂處提高了17.8%，提高幅度較大；從應(yīng)力方面來(lái)看，拱肋加固以后應(yīng)力減少了約14.1%，這說(shuō)明加固以后拱肋的承壓面積增加了；從動(dòng)力特性方面來(lái)看，橋梁加固以后豎向提高了15.8%，橫向提高了12.0%，這說(shuō)明鋼箱加固以后，橋梁的整體剛度加大，承載力提高。綜上所述，湟水河橋采用鋼箱法加固以后，橋梁的承載力、應(yīng)力、撓度、動(dòng)力特性等都得到了較好的改善，達(dá)到了預(yù)期的效果。而且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，同等條件下，和粘貼鋼板加固法相比，鋼箱加固法也較為經(jīng)濟(jì)。

表6 湟水河橋加固前后動(dòng)力特性頻率比較 單位：Hz

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)鋼箱加固法在湟水河橋中的加固應(yīng)用及加固效果評(píng)價(jià)分析可以知道，橋梁采用鋼箱法加固以后，其撓度和應(yīng)力均得到較大的改善，承載力得到較大的提高，加固以后的橋梁能夠滿(mǎn)足現(xiàn)行荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。這說(shuō)明鋼箱法在雙曲拱橋的加固中有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)推廣應(yīng)用。

［1］ 趙 川，王起才，王艷艷.增大截面法進(jìn)行雙曲拱橋加固的研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7（3）：107-109，126.

［2］ 吳俊章.湖北芳畈雙曲拱橋鋼箱法加固效用分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［3］ 周榕輝.鋼箱拱法加固雙曲拱橋的研究及應(yīng)用［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［4］ 李文盛.粘鋼加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究與理論分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

［5］ 鐘新谷，莫時(shí)旭，舒小娟，等.鋼箱混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［6］ 蘭州交通大學(xué)勘查設(shè)計(jì)院.S309線(xiàn)湟水河橋維修加固工程施工圖設(shè)計(jì)［Z］.蘭州.2011.

［7］ 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.JTGTJ22－2008.公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG B01－2003.公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：人民交通出版社，2003.

Study on Application of Steel Box Strengthening Method in Reinforcement of Double-curved Arch Bridge

CHEN Biao
（Zhongtie Yiyuan Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang 830011，China）

Steelbox strengtheningmethod（SBSM）is a new reinforcementmethod featured with remarkable effect，convenient construction，wellwhole-stability after reinforcing，excellent torsion rigidity and so on，especially，it is fitted to reinforce the structures such as beam and arch bridge.The dominantmechanism of bridge strengthening with the SBSM is analyzed here，and it is applied to the consolidation of double-curved arch bridge.Besides，the reinforced effect of the bridge is evaluated combined with the theoretical analysis and experimental results.The analysis results show that the double-curved arch bridge’s stress and deflection are improved prominently after reinforcingwith the SBSM and the perfect reinforcing effect is achieved.So the SBSM could be applied to double-curved arch bridge’s reinforcement.

steel box strengtheningmethod（SBSM）；double-curved arch bridge；reinforcementmechanism；reinforcement effect

U445.7＋2

A

1672—1144（2014）01—0045—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.010

2013-09-20

2013-10-10

甘肅省科技支撐計(jì)劃—工業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（0708GKCA005）

陳 彪（1986—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，助理工程師，主要從事橋梁勘測(cè)與設(shè)計(jì)方面的工作。