王大剛
(中國電子工程設(shè)計院,北京100142)
雙曲拱橋加固及靜動載檢測數(shù)值模擬研究
王大剛
(中國電子工程設(shè)計院,北京100142)
針對雙曲拱橋損壞現(xiàn)狀,提出主拱圈加固采用錨噴技術(shù),并將拱型結(jié)構(gòu)變成箱型結(jié)構(gòu)的加固方案,采用有限元分析方法對加固后雙曲拱橋進(jìn)行了動靜力響應(yīng)分析,并進(jìn)行靜動載試驗,將計算結(jié)果和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明,靜荷載為40t、35t、30t條件下,相關(guān)撓度為46%~65.3%、28%~62.4%、52.8%~61.7%;行車速度為22km/h、26km/h和32km/h,相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.084、1.165和1.181;分析撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)分布規(guī)律可知,本次加固后橋梁整體穩(wěn)定性和剛度較好,安全度較高;評定加固后的橋梁承載性能,為雙曲拱橋維修加固提供了可靠參考。
雙曲拱橋;加固;靜動載;數(shù)值模擬
【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.029
雙曲拱橋是我國自行設(shè)計建造的一種橋型,已有數(shù)十年歷史,由于其具有較好的受力性能和承載能力,因此在中小橋中得到廣泛采用。雙曲拱橋的主要組成部分包括拱波、拱板、拱肋和橫向隔板等,由于雙曲拱橋具有化整為零的施工特點,因此不需大型施工設(shè)備。雙曲拱橋具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省建筑材料和具有較大橋下凈空等特點,但由于設(shè)計建造時間較早,因此存在較多問題,如結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低、抗震性能較低和抗疲勞破壞能力較差等,因此在當(dāng)前繁重交通荷載作用下,出現(xiàn)了不同程度的病害,其中一部分病害較為嚴(yán)重,部分喪失或全部喪失繼續(xù)承載能力,因此不得不對其進(jìn)行加固處理。
雙曲拱橋的病害主要有上部結(jié)構(gòu)病害和下部結(jié)構(gòu)病害。上部結(jié)構(gòu)病害主要包括:(1)由于建造時期用鋼量不足,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)延性較差,造成拱波的縱向開裂;(2)雙曲拱橋橫隔板厚度和剛度不足,造成橋梁整體穩(wěn)定性較差,產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,從而引起拱波裂縫。下部結(jié)構(gòu)病害主要包括:(1)建造時期混凝土強度不足,在長期處于外界條件下發(fā)生碳化反應(yīng),造成橋梁耐久性不足,以至于鋼筋銹蝕,拱腳處裂縫較多;(2)建造時期,由于施工能力有限,造成基礎(chǔ)淺埋,基礎(chǔ)淺埋會發(fā)生地基承載力不足的現(xiàn)象,從而產(chǎn)生不均勻沉降,造成橋梁開裂。
經(jīng)過多年使用,現(xiàn)役大量雙曲拱橋呈現(xiàn)出不同程度的損壞,對交通安全造成較大隱患[1~4]。本文根據(jù)實際調(diào)查,采用合適的加固方法和施工工藝,進(jìn)行全橋靜、動載作用下橋梁仿真模擬實驗,評定加固后的橋梁承載性能,為雙曲拱橋維修加固提供可靠參考。
施工技術(shù)依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[5]規(guī)定。針對雙曲拱橋主要損壞部位主拱圈,采用錨噴技術(shù)進(jìn)行加固,擬在拱肋底部處施工增設(shè)14cm的混凝土板,并將其澆筑成整體,以增加其整體剛度和穩(wěn)定性,采用箱型結(jié)構(gòu)替換原來拱型結(jié)構(gòu),調(diào)整后的橋梁拱圈截面圖如圖1所示。
圖1 加固后的主拱圈截面(單位:cm)
3.1 測試截面和工況布置
根據(jù)外觀普查結(jié)合橋梁荷載試驗要求,選擇第2孔作為荷載試驗孔。加載數(shù)值分別為30t、35t、40t,加載位置分別為拱腳、1/4跨和跨中。
3.2 靜荷載條件下數(shù)值計算
為了驗證上述加固后橋梁整體穩(wěn)定性和安全性,對橋梁整體進(jìn)行數(shù)值模擬。在本次數(shù)值計算中,鋼筋混凝土材料采用SOLID65單元進(jìn)行模擬,其他部位采用SOUD95單元進(jìn)行分析,建立三維數(shù)值模擬。本次數(shù)值模擬共劃分81526個三維實體單元和56648個節(jié)點,其中鋼筋結(jié)構(gòu)單元共18862個。本次數(shù)值計算模型網(wǎng)格如圖2所示。
3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
3.3.1 變形分析
為了驗證加固效果和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,將不同截面撓度變形的理論值和監(jiān)測值進(jìn)行對比分析。
在分別40t、35t、30t靜荷載條件下,不同實測斷面,不同荷載作用條件下,撓度校驗系數(shù)值分別在46%~65.3%、28% ~62.4%、52.8%~61.7%之間,滿足相關(guān)規(guī)范要求[5]。不同荷載作用、不同截面條件下,結(jié)構(gòu)部件相對殘余應(yīng)變都較小,符合規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài),表明加固后拱橋工作性能和整體穩(wěn)定性都較好。
圖2 結(jié)構(gòu)單元離散圖
3.3.2 應(yīng)變分析
在試驗荷載作用和有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬情況下,對偏載拱腳截面、偏載1/4截面、偏載拱頂截面中載拱腳截面、中載1/4截面、中載拱頂截面進(jìn)行應(yīng)變理論值和實測值的校核。
在40t、35t、30t荷載作用下,各測試截面各工況應(yīng)變校驗系數(shù)值分別在29.8%~98.2%、31.8%~101.2%、68.9%~101.9%之間,可以得到不同截面條件下應(yīng)變校驗系數(shù),與相關(guān)規(guī)范比較可知,滿足強制性要求[6]。試驗和數(shù)值計算表明:相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的殘余應(yīng)變小于規(guī)范規(guī)定的20%,表明加固后拱橋工作性能較好。
4.1 自振頻率
4.1.1 振型比較
通過ANSYS模擬得到前三階振型中第一階振型實測值2.930,計算值為6.107;第二階振型實測值5.423,計算值為8.181;第三階振型實測值6.039,計算值為8.820。由上述數(shù)據(jù)可以看出:第一階振型數(shù)值最小,第三階振型數(shù)值最大;第一階振型計算值與實際值相差最大,第三階振型計算值與實際值相差最小,表明對第一階振型計算時考慮影響因素不足,造成誤差較大。
4.1.2 自振頻率比較
靜動荷載現(xiàn)場試驗條件下,得到的拱橋頻譜圖如圖3、圖4所示。經(jīng)傅里葉變換及相關(guān)處理可以得到上部結(jié)構(gòu)前三階頻率實測值。結(jié)合圖3和圖4可以看出:在荷載作用前期,振動幅值變化較?。浑S著時間增長,振動幅值變大,表明振動幅值與時間有關(guān)。
圖3 跨中實測基頻自譜分析
圖4 20km/h跑車跨中強迫振動
4.2 強迫振動
4.2.1 強迫振動時程曲線
圖5 30km/h跑車跨中強迫振動
4.2.2 沖擊系數(shù)
對加固后拱橋進(jìn)行了動荷載條件下現(xiàn)場試驗,得到了預(yù)定斷面的動撓度,將其與靜荷載作用下?lián)隙葘Ρ确治隹芍盒熊囁俣葹?2 km/h:相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.084;行車速度為26km/h:相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.165;行車速度為32km/h:相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.181;較理論值偏小。上述結(jié)果表明:數(shù)值計算簡化了模型復(fù)雜程度,因此,計算得到的自振頻率小于實測結(jié)果,且沖擊系數(shù)也小于實測結(jié)果,這表明結(jié)構(gòu)動力性能良好。
圖6 40km/h跑車跨中強迫振動
1)采用有限元軟件ANSYS對加固后拱橋進(jìn)行了動靜力響應(yīng)分析,得到了材料非線性條件下加固后拱橋自振頻率、振形等數(shù)據(jù),并將計算結(jié)果和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明數(shù)值模擬可以較好模擬拱橋結(jié)構(gòu)受力特性;
2)由靜動荷載試驗數(shù)據(jù),分析拱橋上部結(jié)構(gòu)撓度變化規(guī)律和應(yīng)變校驗系數(shù)分布規(guī)律可知,本次加固后橋梁整體穩(wěn)定性和剛度較好,安全度較高;
3)數(shù)值計算簡化了模型復(fù)雜程度,因此計算得到的自振頻率小于實測結(jié)果,且沖擊系數(shù)也小于實測結(jié)果,這表明結(jié)構(gòu)動力性能良好。
【1】GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].
【2】王國鼎,鐘圣斌.拱橋(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2000.
【3】朱宏軍,程海麗,姜德民.特種混凝土和新型混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
【4】張勁泉,魏洪昌,徐岳等.公路舊橋加固成套技術(shù)及工程實例[M].北京:人民交通出版社,2007.
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【6】交通部.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)[Z].1988
Study on Reinforcement and Satic-dynamic Load Test of Double Curved Arch Bridge
WANG Da-gang
(ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute,Beijing 100142,China)
Aimingatthedamagestatusofdoublecurvedarchbridge,themainarchreinforcedbyshotcretetechnology,thereinforcement schemeofthearchstructureintoboxstructure,finiteelement analysismethodisusedto analyzethedynamicresponseofthe double curved archbridge.Staticanddynamicloadtestswerecarriedoutonthebridge,thecalculationresultsandfieldtestdatawerecomparedandanalyzed. The results show that:The static load is 40t,35t,30t conditions,the relevant deflection is 46%~65.3%,28%~62.4%,52.8%~61.7%.The drivingspeedis22km/h,26km/hand32km/h,thecorrespondingimpactcoefficientwas1.084,1.165and1.181.Analysisofdeflectionand straindistributionofthecalibrationcoefficient,theoverallstabilityofthebridgereinforcementandgoodstiffness,ahighdegreeofsafety;the performance evaluation ofbridge bearingafterreinforcement,to providea reliable reference forthe maintenance of hyperbolic arch bridge reinforcement.
double-curved arch bridge;reinforce;staticanddynamicload;numerical simulation
U445.7+2;TU441+.2
A
1007-9467(2016)06-0111-03
2016-04-15
王大剛(1977~),男,黑龍江集賢人,高級工程師,從事建筑工程設(shè)計與研究,(電子信箱)44295743@qq.com。