唐登波

【摘要】本文以一四跨連拱雙曲拱橋加固工程為背景，運用midas/civil建立有限元計算模型，通過4個外包混凝土澆筑方案對比分析，對其加固過程受力開展分析研究，研究表明：減少澆筑節(jié)段長度并按照從拱腳到拱頂的澆筑順序，能減少拱頂的下撓；在截面下緣外包混凝土加固可改善原拱肋拱頂的受力狀況，但也導致拱腳直至四分點附近受力狀況的惡化，建議在設計時，應該按照舊有拱肋、加固拱肋兩部分分別進行極限狀態(tài)分析，以確保結構安全可靠。

【關鍵詞】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件，采用在截面下緣外包混凝土加強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，針對增大截面法，國內學者研究主要集中在加固效果評價及施工工藝，對加固過程施工力學研究較少，而對于拱橋，加固施工過程對成橋后受力有較大影響，研究澆筑方案對加固施工力學特性影響很有必要。

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鉸拱，拱軸系數m=2.814。橋梁下部結構采用漿砌片石，基礎均坐落于石砂巖上。主要病害為：拱波順橋向開裂（共21處）、橫系梁豎向貫通開裂（45處）；腹拱開裂（17處）等。

為確保橋梁繼續(xù)安全運營，對該橋進行外包混凝土增大截面法加固，要求加固后荷載等級為公路-Ⅱ級，加固施工流程為：封閉交通，拆除橋面橋面系→搭設施工吊架平臺，修補表面缺陷與裂縫→主拱圈植筋，澆筑拱肋，并澆筑相應區(qū)間橫系梁與加強塊→3cm高性能聚合物砂漿抹面→側墻、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“施工階段聯合截面”，真實模擬加固過程中各施工荷載（含混凝土收縮徐變）作用下拱圈截面受力。計算模型如下圖：

2.2拱肋外包混凝土澆筑方案比選

拱結構加載需要遵循“對稱、均衡”原則，為便于施工，跨內拱肋采用分段澆筑，根據該橋特點，為探討分段外包混凝土澆筑方案對拱肋結構的影響，初步擬定4個澆筑方案如下表所示。

3、計算結果分析

為便于對比分析，本文僅考慮施工荷載，如混凝土自重、收縮徐變等，并計算到加固成橋時刻，計算結果取關鍵截面內力（撓度）的時間歷程及關鍵截面成橋時刻內力（撓度）值。

3.1支反力結果對比

按照擬定拱肋外包混凝土澆筑方案，得到各個方案在加固后的支反力增量，見表3-1。表中數據為正表示反力增大，數據為負表示反力減少。各表格中從上到下按照“0#臺起拱線→1#墩底→…→4#臺起拱線”列出其支反力的變化。

從上表可知，加固后由于增加結構自重，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。通過四種方案對比可知，澆筑順序對結構支點反力影響很小。

3.2施工過程原拱肋內力對比

加固過程中，原拱肋一直處于受力狀態(tài)。以下對比原拱肋關鍵截面在施工過程中的內力變化，以分析不同澆筑順序對原拱肋的受力影響。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，則施工順序對拱肋受力影響越小，在澆筑拱肋過程中，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%，四分點軸力減少約4%～21%，四分點彎矩增大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，對原拱頂受力有利；但同時加大原拱腳、四分點拱肋受力，并增大其軸力偏心距，對原拱肋受力不利。

3.3施工過程后澆馬蹄內力對比

以下對比后澆馬蹄關鍵截面在施工過程中的內力變化，以分析不同澆筑順序對后澆馬蹄的受力影響。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，一旦重新架設拱上結構，則彎矩、軸力均大幅變化。對于彎矩而言，拱腳加固部分均承受72kN·m～83kN·m（正彎矩、下緣受拉），四分點附近加固部分則承受-28kN·m～-48kN·m（負彎矩、上緣受拉），拱頂加固部分承受90kN·m～102kN·m（正彎矩、下緣受拉）；對于軸力而言，拱腳加固部分軸力值為674kN～943kN（拉力），四分點加固部分軸力值為-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力，其數值約為舊有拱肋受力的10%～30%。同時對于拱腳截面，加固部分承受拉力，應按拉彎構件進行設計驗算。

3.4施工過程拱肋變形對比

變形反映拱肋剛度的變化，以下列出施工過程中拱頂撓度變化曲線。圖中橫軸表示各個施工階段，豎軸表示拱頂位移累計下撓量，因方案1、方案2在拱肋澆筑時分段較少，因而其曲線長度較短。

從圖3-5中可知，拆除橋面系后，拱頂上撓+68mm，占加固前拱肋下撓量的50%，拱上建筑恒載對拱肋受力的影響大，控制拱上建筑恒載對控制拱頂下撓意義重大。隨著拱肋加固截面的不斷澆筑成型，拱頂持續(xù)下撓，最終方案1下撓量為-112mm，方案2的下撓量為-132mm，方案3下撓量為-107mm，方案4下撓量為-130mm。比對方案1、2（方案3、4）可知，先拱腳到拱頂的澆筑順序拱頂下撓較少，對結構有利。對比方案1、3可知，現澆拱肋節(jié)段劃分的越細，則對下撓越小，其撓度變化幅度越小，對拱肋結構越有利。

4、結論

本文以增大截面法加固某四跨連拱雙曲拱橋為工程背景，建立彈性有限元模型，通過對四種拱肋外包混凝土澆筑方案的仿真分析，得到如下結論：

（1）采用增大截面法加固時，應分別原拱肋、加固拱肋進行極限狀態(tài)驗算才能確保結構安全。且不論采用何種拱肋澆筑方案，加固部分拱肋受力嚴重滯后于原有拱肋，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）若以控制拱頂下撓為目的，建議施工過程中按照“由拱腳到拱頂”的順序對稱澆筑，且盡可能多劃分幾個澆筑節(jié)段。

（3）對于增大截面法加固的設計理念，拱頂加固截面位于受拉區(qū)，能改善原拱肋受力情況，但對于拱腳（四分點）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，增大截面法加固應該結合原有拱肋的受力，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、加載對拱肋受力影響極大，加固設計時，建議采用輕型填料結合精細化施工，改善拱肋的受力。

參考文獻

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