冉敬愛，王根會，陳永亮

(1.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州　730070;2.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

近20年來公路客貨運輸量不斷增加，對公路橋梁提供安全、重載行駛的要求越來越高。橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和通行能力更是溝通全線的關鍵[1]。當舊橋梁原有的設計標準低，不能滿足現(xiàn)有車輛的通行要求時，全部拆除重建既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實，因此舊橋維修加固就顯得日益重要。目前現(xiàn)有的加固方法很多，比如：增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法、體外預應力加固法、改變結構體系加固法等[2]。其中，粘貼鋼板加固法是可以在保持原有結構體系不變的情況下提高構件承載力，并控制撓度的一種加固方法[3]。

在原有粘貼鋼板加固法的基礎上延伸出了的一種新型的加固方法——鋼箱加固法。與粘貼鋼板加固法相比較，鋼箱加固具有抗彎扭剛度大、變形小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。鋼箱加固法在工程加固方法中應用相對較晚，李剛[4]提出了在剛架拱橋實腹段底部粘貼縱向鋼板提高承載力和增設橫系梁連接為整體的綜合加固方案。陳彪[5]以S309線潢水公路橋為背景，分析了鋼箱加固法加固橋梁的主要原理，并將其應用于雙曲拱橋的加固。

本文以甘肅省S209線一座跨度30 m鋼筋混凝土剛架拱橋為背景，提出采用厚度5 mm及10 mm鋼板圍成的2種鋼箱對其加固。為了選擇經(jīng)濟合理的加固鋼箱，利用ANSYS有限元軟件建立加固模型，結合現(xiàn)有規(guī)范，通過引入加固效應系數(shù)[6]，對比分析了在自重和活載作用下2種鋼箱的加固效果。最終提出采用5 mm鋼箱對該橋進行加固。

1　工程概況

該橋位于甘肅省S209線定隴(定西市—隴西縣)公路，上部結構為一跨度30 m鋼筋混凝土剛架拱，橫向4片剛架拱片。設計荷載為汽車-20，掛120，斷面布置為(1.5+9.0+1.5)m=12.0 m。橋梁實景見圖1。

圖1　橋梁實景

由于該橋是連接定西市安定區(qū)和隴西縣的主要通道，并且是定西市馬鈴薯和隴西縣中藥材的重要流通渠道，車流量較大，且受超載運營的影響。該剛架拱橋大節(jié)點濕接段、大節(jié)點拱腳處都出現(xiàn)了不同程度的裂縫，裂縫寬度基本在0.1～0.3 mm內(nèi)[7-8]。隴西方向第2片斜撐濕接段有裂縫，上緣混凝土破損、掉塊，局部鋼筋外露。

2　加固過程及有限元模型

2.1　鋼箱加固方法

根據(jù)對現(xiàn)場橋梁實際狀況的調(diào)查與分析，結合以往對該類橋的加固經(jīng)驗，提出了采用5,10 mm厚鋼板的2種鋼箱在剛架拱橋跨中實腹段和主拱腿處進行粘貼加固。

本次加固采用鋼箱灌混凝土加固法，5 mm鋼箱直接涂膠粘貼，10 mm鋼箱采用壓力注膠黏結[9]。先將底面鋼板與側面鋼板進行焊接，再與外伸的側面鋼板進行焊接，形成箱室，最后根據(jù)需要在空箱室內(nèi)填筑6 cm 厚的混凝土，5 mm鋼筋加固如圖2所示。

圖2　5 mm鋼箱加固示意(單位：cm)

2.2　有限元模型建立

本文主要針對采用5，10 mm厚2種不同鋼箱對原剛架拱橋加固后的實腹段與主拱腿的撓度、應力進行對比分析，對比選出合理厚度的鋼箱。

采用Beam 188單元模擬拱肋、次梁與主次拱腿結構，橋面板用Shell 63單元模擬[10]。主次拱腿與其他構件的連接采用耦合的方式，大小節(jié)點與次梁的剛接作用以連接處的全部位移進行耦合。鋼箱也采用Shell 63模擬，分析中認為粘貼鋼板和既有混凝土通過高新能結構膠層緊密粘貼，滿足共同受力要求。

本橋橫向4片剛架拱片采用C50混凝土，彈性模量為39.8 GPa，泊松比取0.3，重度為25 kN/m3。鋼箱采用Q235B鋼，彈性模量210 GPa，泊松比取0.3，重度78.5 kN/m3。荷載考慮恒載以及活載，其中活載按JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》中公路Ⅰ級考慮，沖擊系數(shù)[11]取0.25。

3　加固效果分析

3.1　撓度分析

利用有限元軟件ANSYS在施加恒載+活載的條件下進行靜力求解，提取剛架拱橋跨中實腹段、斜腿采用不同厚度鋼箱加固前后不同截面位置的撓度值，繪于圖3(a)和圖3(b)。

圖3　撓度變化

由圖3可以看出，采用不同厚度鋼箱對該橋進行加固，跨中實腹段撓度均顯著減小。其中，使用5 mm鋼箱加固后，跨中實腹段最大撓度減小18.2 mm，斜腿最大撓度減小2.4 mm；采用10 mm 鋼箱加固后跨中實腹段最大撓度減小23.4 mm，斜腿最大撓度減小3 mm。

3.2　應力分析

利用有限元軟件ANSYS通過施加恒載+活載進行靜力求解后，得到剛架拱橋跨中實腹段、斜腿段不同截面位置的應力值，見圖4(a)和圖4(b)。

圖4　應力變化

由圖4可知，荷載作用下，5 mm鋼箱以及10 mm鋼箱加固后跨中實腹段應力以及斜腿段應力均有所減小。其中使用5 mm鋼箱加固跨中實腹段應力減小了0.22 MPa，斜腿拉應力減小0.24 MPa，壓應力減少0.26 MPa；10 mm鋼箱加固后跨中實腹段應力減小了0.26 MPa，斜腿拉應力減小0.25 MPa,壓應力減少0.30 MPa。

3.3　理論驗算

根據(jù)JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設計規(guī)范》6.2.2節(jié)，在矩形截面的受拉面粘貼鋼板進行加固時，其正截面承載力按下列公式計算。

(1)

式中：x為混凝土受壓區(qū)高度；h為原截面高度；αs為受拉區(qū)普通的鋼筋合力點至受拉區(qū)邊緣的距離；h0為原構件截面有效高度，h0=h-αs；ξb為相對截面受壓區(qū)高度，查JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》表5.2.1可得ξb=0.62。

由式(1)可知正截面承載力按下式計算

由式(2)驗算可得：用5,10 mm厚鋼箱分別加固時均成立。

3.4　效果比較

引入加固效應系數(shù)η，其表達式為

(3)

式中：Sr為加固后結構的反應；Sur為未加固時結構的反應。

由此可知加固系數(shù)η反映了加固對結構的影響程度。表1為恒載+活載作用下跨中實腹段撓度、應力和斜腿撓度、應力的加固效應系數(shù)。

表1　加固效應系數(shù)　%

從加固效應系數(shù)η可以看出，10 mm厚鋼箱加固撓度方面比5 mm厚鋼箱加固效果優(yōu)10.3%，應力方面優(yōu)6.9%。但經(jīng)計算可知5 mm厚鋼箱加固已經(jīng)滿足要求，從經(jīng)濟、輕型、美觀綜合考慮選用5 mm厚鋼箱加固。

4　結論

1)鋼箱加固公路剛架拱橋技術不僅施工方便而且可以有效的提高其承載能力和剛度。該技術可以為以后類似橋梁加固提供借鑒。

2)通過有限元軟件ANSYS分析，不管是5 mm厚還是10 mm厚鋼箱加固，均可以提高剛架拱橋的承載力和剛度。對截面撓度而言，從加固效應系數(shù)可以看出10 mm厚鋼箱比5 mm厚鋼箱優(yōu)10.3%，對截面應力而言，10 mm厚鋼箱只比5 mm厚鋼箱優(yōu)6.9%。

3)在滿足《公路橋梁加固設計規(guī)范》的前提下，從經(jīng)濟、輕型、美觀綜合考慮建議選用5 mm厚鋼箱加固。

[1]任偉，賀栓海，趙小星，等.黏貼鋼板加固持荷鋼筋混凝土T型梁模型試驗[J].中國公路學報，2008，21(3)：64-68.

[2]中華人民共和國交通部.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2008.

[3]王凱，李子春.粘貼鋼板技術在留芳溝橋加固中的應用[J].鐵道建筑，2009，49(12)：1-3.

[4]李剛.剛架拱橋加固技術的應用研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.

[5]陳彪.鋼箱加固法在雙曲拱橋加固中的應用研究[J].水利與建筑工程學報，2014,12(1)：45-49.

[6]李小雪,藺鵬臻.鋼板和鋼箱加固簡支T梁有限元分析[J].工程抗震與加固改造,2015，37(3)：61-65.

[7]蘭州交通大學.定西市東坡橋靜載測試與檢測報告[R].蘭州：蘭州交通大學，2016.

[8]蘭州交通大學.定西市東坡橋維修加固方案設計[Z].蘭州：蘭州交通大學，2016.

[9]何華.橋梁加固施工中新技術的應用[J].鐵道建筑，2008，48(12)：28-30.

[10]李立峰，王連華.ANSYS土木工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[11]中華人民共和國交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.