吉蕩

（海南省公路管理局三亞公路局,海南 三亞 572000）

某剛架拱橋加固方法及加固效果分析

吉蕩

（海南省公路管理局三亞公路局,海南 三亞 572000）

以某剛架拱橋加固工程為例，提出了針對性加固措施，并通過有限元仿真分析了加固前后結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況及動(dòng)力性能，并驗(yàn)算了加固后橋梁承載力及撓度，結(jié)果表明，通過文中所述的加固整治方法，能夠改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布并有效提升結(jié)構(gòu)承載力及整體剛度，加固效果良好。有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

橋梁工程；剛架拱橋；加固；內(nèi)力分布；動(dòng)力性能

0 引言

剛架拱橋是我國發(fā)明的一種新型拱橋，其主結(jié)構(gòu)由拱肋構(gòu)成主拱，拱上建筑取斜腿剛構(gòu)的形式，并聯(lián)結(jié)成整體，構(gòu)件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)形式簡潔美觀，施工方便，并適用于多種施工方法，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1]。上世紀(jì)末，我國在物資短缺、交通量不大的國情下，興建了一大批剛架拱橋。但隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路運(yùn)輸量不斷增加，橋梁負(fù)荷日益加重[2]，修建年代較早的剛架拱橋普遍存在承載力不足的情況。加之剛架拱連接處薄弱、整體性較差的固有特點(diǎn)使得該類橋型在使用過程中不斷出現(xiàn)病害，通常需要通過維修加固來整治橋梁病害、提高橋梁承載力[3,4]。

近年來，我國進(jìn)行了大量舊橋檢測、加固方面的研究[5,6]，其中主要是針對鋼筋混凝土梁橋及圬工拱橋，對于剛架拱這類橋型研究成果較少[7]，本文將介紹某剛架拱橋加固工程為例，介紹其加固方法并對其加固效果進(jìn)行分析。

1 工程簡介

某大跨剛架拱橋，上部構(gòu)造為50 m鋼筋混凝土剛架拱，橋面寬度為15.5 m，橋面布置為7.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2×2.0 m（非機(jī)動(dòng)車道）+2×2.0 m（人行道）。沿橋橫向分布5片拱肋，由26片橫系梁連接為一整體。設(shè)計(jì)荷載為汽超-20，掛車-100，該橋位于交通干道，連接新、舊城區(qū)，交通量大，重載車輛較多。該橋于1987年竣工，至今已投入使用28 a。

本橋上部構(gòu)造除橋面、翼板、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為預(yù)制混凝土構(gòu)件。拱腿、斜撐及弦桿均為一段預(yù)制，實(shí)腹段為兩段預(yù)制。在拱頂、實(shí)腹段與拱腿、弦桿與拱腿等連接處均采用鋼板接頭，其余采用鋼筋焊接現(xiàn)澆混凝土接頭。拱頂?shù)念A(yù)拱度為L/800，實(shí)腹段范圍內(nèi)按二次拋物線設(shè)置，拱腿范圍內(nèi)按直線變化。弦桿支座采用250 mm×300 mm×42 mm的平板式橡膠支座，且支座水平放置。

本橋拱片現(xiàn)澆接頭采用35號混凝土，拱片、微彎板、現(xiàn)澆混凝土填平層、現(xiàn)澆翼板拱座、橋頭搭板采用30號混凝土，橋面鋪裝采用30號防水混凝土，欄桿、扶手、防撞護(hù)欄基座采用25號混凝土，橋臺側(cè)墻、前墻及臺身采用20號混凝土，橋臺基礎(chǔ)采用15號混凝土。調(diào)治構(gòu)造物坡面及坡基采用7.5號漿砌片石。箍筋和小構(gòu)件的主筋及吊環(huán)鋼筋采用Ⅰ級鋼筋（直徑6～25 mm），主要構(gòu)件的力筋及構(gòu)造筋采用Ⅱ級鋼筋（直徑不小于12 mm）。該橋立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：cm)

2 主要病害及加固處治方案

2.1 主要病害

經(jīng)現(xiàn)場檢查，本橋存在以下病害：

橋面系：橋面鋪裝多處坑洞；局部出現(xiàn)磨光、脫皮、露骨；鋪裝層接縫處多處出現(xiàn)中、深層邊角剝落，局部出現(xiàn)層狀剝落；部分泄水管出現(xiàn)堵塞；伸縮縫裝置破損嚴(yán)重，局部凸起。

上部結(jié)構(gòu)：拱片在1/4L～3/4L位置有多處不同程度的豎向裂縫：主裂縫高度延伸至拱片與微彎板結(jié)合面處，超過截面的1/2高度，裂縫最寬處達(dá)到0.15 mm；拱片間的聯(lián)結(jié)橫梁接縫處連接狀況較差，接縫處有明顯的松動(dòng)開裂現(xiàn)象，全橋動(dòng)力效應(yīng)明顯。

下部結(jié)構(gòu)：狀況較好，未出現(xiàn)病害。

2.2 加固方案

本著安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、施工簡便的原則，治理橋梁病害，防止橋梁技術(shù)狀況進(jìn)一步惡化，并通過加固使橋梁承載力達(dá)到公路-Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。采取的主要措施如下：

更換橋面鋪裝及伸縮縫；增設(shè)25道厚15 cm、寬度40 cm的橫系梁，原橫系梁接頭松動(dòng)開裂處灌注微膨脹水泥砂漿，以增強(qiáng)原橋整體性，減輕車輛沖擊及地震等荷載對橋梁的損傷；采用壓力注漿填充封閉主拱肋L/4～3 L/4區(qū)段裂縫，同時(shí)在主拱肋L/4～3 L/4段下緣粘貼厚5 mm、寬25 cm的鋼板，以提高拱肋承載力，粘貼鋼板必須采取可靠的錨固措施以保證橋梁受到二次荷載時(shí)新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載，本橋粘貼鋼板加固采用高強(qiáng)化學(xué)錨栓及膨脹螺栓進(jìn)行錨固。

3 加固效果評價(jià)

3.1 有限元分析

采用Midas/Civil2012有限元軟件，建立空間模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。采用215個(gè)節(jié)點(diǎn)、294個(gè)梁單元模擬上部結(jié)構(gòu)，采用104個(gè)板單元模擬微彎板，加固后的截面按照加固方案采用組合截面；拱腿及斜撐與橋臺連接處邊界條件為固定鉸支，與弦桿連接處為剛性連接，弦桿與支座處邊界條件為可移動(dòng)鉸支，微彎板自重、欄桿自重及二期恒載采用梁單元荷載擬合，微彎板擬合材料采用容重為零、其余參數(shù)與C35相同的自定義材料，其余單元材料為C35混凝土。有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型示意圖

3.2 新舊結(jié)構(gòu)對比

3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布

原橋拱肋跨中區(qū)段下緣開裂的主要原因是剛架拱橋橫向聯(lián)系較弱，在移動(dòng)荷載作用下，各拱肋受力不均勻，導(dǎo)致車輛直接作用下的拱肋出現(xiàn)較大正彎矩，截面下緣彎拉應(yīng)力值超過混凝土抗拉強(qiáng)度，同時(shí)，由于剛架拱橋動(dòng)力效應(yīng)非常明顯，一旦出現(xiàn)裂縫，極易在活載振動(dòng)沖擊下迅速擴(kuò)展。若加固時(shí)采取措施增強(qiáng)橫向聯(lián)系，提高橋梁整體性，降低橋梁震動(dòng)，同時(shí)讓活載作用分配更加均勻，就能降低單個(gè)拱肋跨中區(qū)段彎矩值，使結(jié)構(gòu)盡量處于全截面受壓狀態(tài)，對橋梁受力大有裨益，能取得較好加固效果。因此，對結(jié)構(gòu)加固前后內(nèi)力分布情況及動(dòng)力特性進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)加固方案有效性。

剛架拱結(jié)構(gòu)最主要的受力構(gòu)件為弦桿跨中區(qū)段及拱腿，提取結(jié)構(gòu)加固前后活載作用下各拱肋的內(nèi)力，分析跨中區(qū)段粘貼鋼板及增設(shè)橫系梁等加固處治措施對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。為準(zhǔn)確體現(xiàn)加固措施對結(jié)構(gòu)影響，計(jì)算時(shí)加固前后結(jié)構(gòu)所作用活載均根據(jù)影響線施加相同荷載，結(jié)果見圖3。

以跨中截面為例對上圖進(jìn)行說明。圖3（a）、（b）中數(shù)據(jù)，A（25,303.6），B（25,-975.0），C（25,-99.2），D（25,-1178），加固前1#、3#拱肋跨中軸力分別為-975.0 kN、303.6 kN，兩者差值為1 278.6 kN；加固后1#、3#拱肋跨中軸力分別為-1 178 kN、-99.2 kN，兩者差值為1 078.8 kN，上述結(jié)果說明加固后3#肋和1#肋承擔(dān)的軸力在不斷接近，且加固前3#肋出現(xiàn)了軸向拉力，這對結(jié)構(gòu)受力極為不利，而加固后相同位置軸力由拉力變?yōu)閴毫Γ瑥妮S向受力角度來說，加固后結(jié)構(gòu)受力得到了較好改善。圖3（c）、（d）中數(shù)據(jù)，E（25,300.2），F(xiàn)（25,202.9），G（25,272.3），H（25,216.1），加固前1#、3#拱肋跨中彎矩分別為202.9kN·m、300.2 kN·m，兩者差值為97.3 kN·m；加固后1#、3#拱肋跨中軸力分別為216.1 kN·m、272.3 kN·m，兩者差值為56.2 kN·m，上述結(jié)果說明加固后中肋和邊肋承擔(dān)的彎矩在不斷接近，且3片拱肋中出現(xiàn)的最大彎矩值相對于加固前減小了9.3%，這對于抗拉強(qiáng)度低的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制非常有意義。

綜上所述，從內(nèi)力分布角度而言，加固效果較為明顯，橋梁加固后在荷載作用下各拱片分擔(dān)內(nèi)力趨于均勻，協(xié)同受力，減小了單個(gè)拱片超載的可能性。

3.2.2 動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)體積大，構(gòu)件較多，且常有隱蔽部分，評價(jià)加固效果時(shí)常采用動(dòng)靜態(tài)相結(jié)合的評估方法，動(dòng)態(tài)評價(jià)方法是基于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的分析，能夠反映橋梁整體剛度，數(shù)據(jù)量少，彌補(bǔ)了靜態(tài)評價(jià)不全面、工作量大的缺陷。常用的動(dòng)力特性有：頻率、振型、振型曲率等[8]。

本橋加固之后跨中區(qū)段剛度及質(zhì)量發(fā)生了變化，且增強(qiáng)了拱片橫向聯(lián)系，因而會(huì)導(dǎo)致橋梁整體固有頻率的改變，通過有限元軟件計(jì)算橋梁加固前后在自振模態(tài)下的頻率值，結(jié)果見表1。

表1 自振頻率值

通過表1可知，加固后結(jié)構(gòu)在各階模態(tài)下自振頻率均較加固前有所提升，表明結(jié)構(gòu)通過粘貼鋼板及增設(shè)橫系梁加固之后，整體性及剛度均有所提升。

3.3 加固后橋梁驗(yàn)算

3.3.1 承載力驗(yàn)算

極限承載力是加固結(jié)構(gòu)最重要的指標(biāo)之一。計(jì)算橋梁加固后各控制截面在各荷載效應(yīng)組合下的內(nèi)力值，并與修正后的結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)承載力是否滿足要求。

承載能力極限狀態(tài)基本組合：

荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范取值，主要考慮恒載、車輛荷載、人群荷載及溫度荷載。

配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算需引入荷載修正系數(shù)、截面折減系數(shù)、承載能力修正系數(shù)及承載能力惡化系數(shù)分別對極限狀態(tài)方程中結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)和荷載效應(yīng)進(jìn)行修正，并通過比較判定結(jié)構(gòu)的承載能力情況。計(jì)算方法如下：

根據(jù)原橋技術(shù)狀況，橋梁承載能力檢算系數(shù)Z1值為1.1，截面折減系數(shù)ξe為0.93，截面折減系數(shù)ξc為0.10，荷載修正系數(shù)ξq取1.0。

剛架拱片粘貼鋼板后形成組合截面，其承載力計(jì)算相對比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)平截面假定，計(jì)算結(jié)構(gòu)在二次受力時(shí)鋼板的應(yīng)變值，鋼板的應(yīng)力等于應(yīng)變值與鋼板彈性模量的乘積。鋼板應(yīng)變值按下式確定：

組合截面正截面承載力計(jì)算方法如下：

根據(jù)有限元軟件空間模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，選取最不利工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力，驗(yàn)算1#～5#肋拱腳截面、L/8、L/4及L/2截面進(jìn)行正截面承載力。驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 承載力驗(yàn)算結(jié)果

結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)方案加固后，橋梁極限承載力能夠滿足公路-Ⅱ級荷載等級的使用要求。

3.3.2 撓度驗(yàn)算

拱結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)組合下，一個(gè)橋跨范圍內(nèi)的正負(fù)撓度的絕對值之和的最大值不應(yīng)大于計(jì)算跨徑的1/1000。

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，提取1～5#拱肋L/4和L/2截面在短期效應(yīng)組合下的豎向撓度值，并與限值進(jìn)行比較，判斷加固后結(jié)構(gòu)的剛度是否滿足要求，結(jié)果見表3。

由表3可知，在短期效應(yīng)組合情況下，全橋撓度變化幅度均在限值以內(nèi)，故加固后全橋主拱圈剛度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

本文以某剛架拱橋加固整治為例，提出了粘貼鋼板及增設(shè)橫系梁等針對性加固措施，并對加固前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間仿真，分析加固前后結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況及動(dòng)力性能，結(jié)果表明加固后結(jié)構(gòu)整體剛度得到提升，拱肋間內(nèi)力分布更加合理，加固效果較為理想。此外，本文 驗(yàn)算了加固后橋梁承載力及撓度，計(jì)算值均在規(guī)范限值以內(nèi)。本文所述加固整治措施及結(jié)構(gòu)分析方法，為同類型橋梁加固整治提供了一個(gè)有益的范例。

[1]婁有原.剛架拱橋的發(fā)展與推廣 [J].公路交通科技,1989(4): 33-38.

[2]莊家智,毛久群.空腹式鋼筋混凝土拱橋拓寬加固新方法[J].公路交通技術(shù),2016(1):90-93.

[3]陳正偉.剛架拱橋?qū)嵱眉庸碳夹g(shù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué), 2008.

[4]童孟勝,盧彭真,張英志.剛架拱橋的病害分析及防治對策[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2004(8):694-698.

[5]胡釗芳,上官兵.北門剛架拱危橋加固通行特種車輛的技術(shù)[J].公路交通科技,2002,19(3):86-89.

[6]郭風(fēng)琪.在役石拱橋評估與加固關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖南長沙:中南大學(xué),2012.

[7]胡淼,孫曉龍,張偉.大跨剛架拱橋病害分析及加固研究[J].城市道橋與防洪,2013(8):148-150.

[8]陳悅,周建庭,楊建喜,等.基于動(dòng)力特性的拱橋加固效果評價(jià)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(6):852-854.

U445.7

B

1009-7716（2016）12-0063-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.019

2016-09-20

吉蕩（1974-），男，海南三亞人，工程師，從事路橋養(yǎng)護(hù)工作。