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        增大截面法加固雙曲拱橋主拱肋澆筑順序?qū)Ρ确治鲅芯?/h1>
        2015-10-21 18:59:45唐登波
        科技與企業(yè) 2015年15期
        關(guān)鍵詞:雙曲拱橋加固有限元分析

        唐登波

        【摘要】本文以一四跨連拱雙曲拱橋加固工程為背景,運(yùn)用midas/civil建立有限元計(jì)算模型,通過(guò)4個(gè)外包混凝土澆筑方案對(duì)比分析,對(duì)其加固過(guò)程受力開(kāi)展分析研究,研究表明:減少澆筑節(jié)段長(zhǎng)度并按照從拱腳到拱頂?shù)臐仓樞?,能減少拱頂?shù)南聯(lián)希辉诮孛嫦戮壨獍炷良庸炭筛纳圃袄吖绊數(shù)氖芰顩r,但也導(dǎo)致拱腳直至四分點(diǎn)附近受力狀況的惡化,建議在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該按照舊有拱肋、加固拱肋兩部分分別進(jìn)行極限狀態(tài)分析,以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

        【關(guān)鍵詞】雙曲拱橋;加固;增大截面法;施工順序;有限元分析

        引言

        拱肋是雙曲拱橋最重要的承重構(gòu)件,采用在截面下緣外包混凝土加強(qiáng)拱肋是雙曲拱橋加固最常用的方法,可提高橋梁承載能力和剛度。目前,針對(duì)增大截面法,國(guó)內(nèi)學(xué)者研究主要集中在加固效果評(píng)價(jià)及施工工藝,對(duì)加固過(guò)程施工力學(xué)研究較少,而對(duì)于拱橋,加固施工過(guò)程對(duì)成橋后受力有較大影響,研究澆筑方案對(duì)加固施工力學(xué)特性影響很有必要。

        本文以一座四跨連拱雙曲拱橋加固工程為工程背景,采用MIDAS/Civil進(jìn)行加固施工仿真分析,探討外包混凝土增大截面法加固施工力學(xué)特性,為類似拱橋加固提供參考。

        1、工程概況

        某四跨連拱雙曲拱橋位于湖南懷化,單孔凈跨徑50m,矢跨比1/8,主拱圈采用等截面懸鏈線無(wú)鉸拱,拱軸系數(shù)m=2.814。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用漿砌片石,基礎(chǔ)均坐落于石砂巖上。主要病害為:拱波順橋向開(kāi)裂(共21處)、橫系梁豎向貫通開(kāi)裂(45處);腹拱開(kāi)裂(17處)等。

        為確保橋梁繼續(xù)安全運(yùn)營(yíng),對(duì)該橋進(jìn)行外包混凝土增大截面法加固,要求加固后荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí),加固施工流程為:封閉交通,拆除橋面橋面系→搭設(shè)施工吊架平臺(tái),修補(bǔ)表面缺陷與裂縫→主拱圈植筋,澆筑拱肋,并澆筑相應(yīng)區(qū)間橫系梁與加強(qiáng)塊→3cm高性能聚合物砂漿抹面→側(cè)墻、立柱抹面→重建橋面系。

        2、加固方案

        2.1有限元分析模型

        運(yùn)用MIDAS/Civil建立加固施工階段分析單拱肋桿系模型,外包混凝土加固采用“施工階段聯(lián)合截面”,真實(shí)模擬加固過(guò)程中各施工荷載(含混凝土收縮徐變)作用下拱圈截面受力。計(jì)算模型如下圖:

        2.2拱肋外包混凝土澆筑方案比選

        拱結(jié)構(gòu)加載需要遵循“對(duì)稱、均衡”原則,為便于施工,跨內(nèi)拱肋采用分段澆筑,根據(jù)該橋特點(diǎn),為探討分段外包混凝土澆筑方案對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)的影響,初步擬定4個(gè)澆筑方案如下表所示。

        3、計(jì)算結(jié)果分析

        為便于對(duì)比分析,本文僅考慮施工荷載,如混凝土自重、收縮徐變等,并計(jì)算到加固成橋時(shí)刻,計(jì)算結(jié)果取關(guān)鍵截面內(nèi)力(撓度)的時(shí)間歷程及關(guān)鍵截面成橋時(shí)刻內(nèi)力(撓度)值。

        3.1支反力結(jié)果對(duì)比

        按照擬定拱肋外包混凝土澆筑方案,得到各個(gè)方案在加固后的支反力增量,見(jiàn)表3-1。表中數(shù)據(jù)為正表示反力增大,數(shù)據(jù)為負(fù)表示反力減少。各表格中從上到下按照“0#臺(tái)起拱線→1#墩底→…→4#臺(tái)起拱線”列出其支反力的變化。

        從上表可知,加固后由于增加結(jié)構(gòu)自重,豎向反力均增大約10%,而水平推力與彎矩則有增有減,規(guī)律性不強(qiáng)。通過(guò)四種方案對(duì)比可知,澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)支點(diǎn)反力影響很小。

        3.2施工過(guò)程原拱肋內(nèi)力對(duì)比

        加固過(guò)程中,原拱肋一直處于受力狀態(tài)。以下對(duì)比原拱肋關(guān)鍵截面在施工過(guò)程中的內(nèi)力變化,以分析不同澆筑順序?qū)υ袄叩氖芰τ绊?。下圖中,“Nd-1”表示方案1下拱頂軸力,“N1/4-1”表示方案1下四分點(diǎn)軸力,“Nj-1”表示方案1下拱腳軸力;“Md-1”表示方案1下拱頂彎矩,“M1/4-1”表示方案1下四分點(diǎn)彎矩,“Mj-1”表示方案1下拱腳彎矩。

        從圖3-1、3-2可知,外包混凝土拱肋劃分節(jié)段越多,則施工順序?qū)袄呤芰τ绊懺叫?,在澆筑拱肋過(guò)程中,拱肋軸力、彎矩變化幅度不大,而拱上填料的拆除、換填對(duì)拱肋受力的影響較大。四種澆筑順序均可以使得拱腳軸力增大約20%,拱腳彎矩增大333%~406%,四分點(diǎn)軸力減少約4%~21%,四分點(diǎn)彎矩增大29%~45%,拱頂軸力增大0%~2%,拱頂彎矩減少98%~113%。

        采用增大截面法加固的方案,對(duì)原拱頂受力有利;但同時(shí)加大原拱腳、四分點(diǎn)拱肋受力,并增大其軸力偏心距,對(duì)原拱肋受力不利。

        3.3施工過(guò)程后澆馬蹄內(nèi)力對(duì)比

        以下對(duì)比后澆馬蹄關(guān)鍵截面在施工過(guò)程中的內(nèi)力變化,以分析不同澆筑順序?qū)鬂柴R蹄的受力影響。下圖中,“Nd-1”表示方案1下拱頂軸力,“N1/4-1”表示方案1下四分點(diǎn)軸力,“Nj-1”表示方案1下拱腳軸力;“Md-1”表示方案1下拱頂彎矩,“M1/4-1”表示方案1下四分點(diǎn)彎矩,“Mj-1”表示方案1下拱腳彎矩。

        從圖3-3、圖3-4可知,拱肋外包混凝土澆筑過(guò)程中,各方案中加固部分彎矩增加幅度不大,而加固軸力則有所增加,一旦重新架設(shè)拱上結(jié)構(gòu),則彎矩、軸力均大幅變化。對(duì)于彎矩而言,拱腳加固部分均承受72kN·m~83kN·m(正彎矩、下緣受拉),四分點(diǎn)附近加固部分則承受-28kN·m~-48kN·m(負(fù)彎矩、上緣受拉),拱頂加固部分承受90kN·m~102kN·m(正彎矩、下緣受拉);對(duì)于軸力而言,拱腳加固部分軸力值為674kN~943kN(拉力),四分點(diǎn)加固部分軸力值為-1309kN~-1551kN(壓力),拱頂加固部分軸力值為-347kN~-368kN(壓力)。

        采用增大截面法加固的方案,加固部分拱肋僅僅承受很小一部分內(nèi)力,其數(shù)值約為舊有拱肋受力的10%~30%。同時(shí)對(duì)于拱腳截面,加固部分承受拉力,應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

        3.4施工過(guò)程拱肋變形對(duì)比

        變形反映拱肋剛度的變化,以下列出施工過(guò)程中拱頂撓度變化曲線。圖中橫軸表示各個(gè)施工階段,豎軸表示拱頂位移累計(jì)下?lián)狭?,因方?、方案2在拱肋澆筑時(shí)分段較少,因而其曲線長(zhǎng)度較短。

        從圖3-5中可知,拆除橋面系后,拱頂上撓+68mm,占加固前拱肋下?lián)狭康?0%,拱上建筑恒載對(duì)拱肋受力的影響大,控制拱上建筑恒載對(duì)控制拱頂下?lián)弦饬x重大。隨著拱肋加固截面的不斷澆筑成型,拱頂持續(xù)下?lián)希罱K方案1下?lián)狭繛?112mm,方案2的下?lián)狭繛?132mm,方案3下?lián)狭繛?107mm,方案4下?lián)狭繛?130mm。比對(duì)方案1、2(方案3、4)可知,先拱腳到拱頂?shù)臐仓樞蚬绊斚聯(lián)陷^少,對(duì)結(jié)構(gòu)有利。對(duì)比方案1、3可知,現(xiàn)澆拱肋節(jié)段劃分的越細(xì),則對(duì)下?lián)显叫。鋼隙茸兓仍叫?,?duì)拱肋結(jié)構(gòu)越有利。

        4、結(jié)論

        本文以增大截面法加固某四跨連拱雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃椥杂邢拊P?,通過(guò)對(duì)四種拱肋外包混凝土澆筑方案的仿真分析,得到如下結(jié)論:

        (1)采用增大截面法加固時(shí),應(yīng)分別原拱肋、加固拱肋進(jìn)行極限狀態(tài)驗(yàn)算才能確保結(jié)構(gòu)安全。且不論采用何種拱肋澆筑方案,加固部分拱肋受力嚴(yán)重滯后于原有拱肋,加固部分拱肋甚至承受拉力,且原有拱肋、四分點(diǎn)軸力減少、彎矩增大,其受力較加固前更為不利。

        (2)若以控制拱頂下?lián)蠟槟康?,建議施工過(guò)程中按照“由拱腳到拱頂”的順序?qū)ΨQ澆筑,且盡可能多劃分幾個(gè)澆筑節(jié)段。

        (3)對(duì)于增大截面法加固的設(shè)計(jì)理念,拱頂加固截面位于受拉區(qū),能改善原拱肋受力情況,但對(duì)于拱腳(四分點(diǎn))等位置,若加固截面則位于受壓區(qū),則惡化了原有拱肋的受力,基于此,增大截面法加固應(yīng)該結(jié)合原有拱肋的受力,使得加固部分位于原截面受拉區(qū),以改善原拱肋的承載狀況。

        (4)拱上建筑的卸載、加載對(duì)拱肋受力影響極大,加固設(shè)計(jì)時(shí),建議采用輕型填料結(jié)合精細(xì)化施工,改善拱肋的受力。

        參考文獻(xiàn)

        [1]肖航.采用增大截面法加固鋼筋混凝土雙曲拱橋的參數(shù)研究[D].西華大學(xué),2013.

        [2]李吉勇.增大截面法加固雙曲拱橋的仿真分析[D].蘭州理工大學(xué),2013.

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