李士龍， 林偉， 茍勇， 齊林， 殷新鋒

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 橋梁公司，

隨著鋼結(jié)構(gòu)的老化銹蝕、交通量的不斷增加，加上舊橋本身設(shè)計荷載偏低，許多橋梁的承載能力已不能滿足現(xiàn)代交通的需求，對舊橋的維修、改建、加固顯得極為迫切和必要?，F(xiàn)有橋梁加固方法有橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、增大截面法、粘貼鋼板加固法、結(jié)構(gòu)受力體系加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、減輕自重加固法，需針對不同病害選擇合適的加固方法。該文依據(jù)某雙塔鋼桁架橋的病害特點(diǎn)，采用增大截面法進(jìn)行加固并進(jìn)行受力分析。

1 工程概況及加固方法

1.1 工程概況

某雙塔鋼桁架橋總長550 m，跨徑布置為130 m+290 m+130 m，塔高60 m，塔頂橫梁寬11.4 m，塔底寬15.8 m，塔柱為1.2 m方形截面。2個塔座底部配有轉(zhuǎn)盤，在船只通過時可旋轉(zhuǎn)開啟，主跨跨中處閉合時采用鉸接。下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩、鉆孔灌注樁(見圖1)。經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)，該橋已不能滿足現(xiàn)有交通負(fù)荷，且部分構(gòu)件由于保護(hù)不當(dāng)存在不同程度的銹蝕損害，急需進(jìn)行加固改造。

圖1 某鋼桁架橋側(cè)面圖(單位：m)

橋梁主結(jié)構(gòu)采用S355級鋼材，密度為7 850 kg/m3，楊氏模量為2.1×1011Pa,泊松比為0.3，膨脹系數(shù)為1.2×10-5℃-1。橋梁樁基采用C30砼,砼容重為26 kN/m3。

1.2 加固方法原則及初步比選

加固設(shè)計中要綜合考慮加固方案的耐久性、技術(shù)可行性、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性及不影響原橋的使用。在提高橋梁整體承載能力和局部構(gòu)件強(qiáng)度時，修復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件或加大橋梁結(jié)構(gòu)是常用的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，加固時要盡量不改動橋梁的原有結(jié)構(gòu)形式。目前鋼結(jié)構(gòu)橋梁常用加固方法有預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼纖維加固法、粘貼鋼板加固法和增大截面法。

(1) 預(yù)應(yīng)力加固法是在待加固構(gòu)件上粘貼預(yù)應(yīng)力鋼撐桿或剛拉桿進(jìn)行加固，在梁柱結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用較多。該橋橋塔是大型承壓構(gòu)件，該方法不適合該橋的加固。

(2) 粘貼纖維法是在待加固區(qū)域粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行加固，在各種受力構(gòu)件中應(yīng)用較多。其優(yōu)點(diǎn)是施工方便、高強(qiáng)高效、對橋梁結(jié)構(gòu)及外觀影響較小、耐久性和耐腐蝕性好，缺點(diǎn)是耐火性與耐高溫性較差、彈性模量小、材料延展性較差、容易產(chǎn)生脆性破壞。該橋所在地區(qū)氣溫較高，光照充足，屬于熱帶沙漠氣候，對纖維的性能及耐久性影響較大，不適宜采用粘貼纖維法加固。

(3) 粘貼鋼板法通過在構(gòu)件承載能力不足的區(qū)域粘貼鋼板提高部件的抗剪、抗彎、抗壓、抗拉等性能，適用于外觀規(guī)則構(gòu)件的小構(gòu)件加固，同時對加固膠的性能要求較高，且耐久性一般。該橋?qū)儆诖笮弯摻Y(jié)構(gòu)，加固時要綜合考慮加固效果和耐久性，該方法也不合適。

經(jīng)綜合比較，采用增大截面法即焊接C形槽鋼的方法進(jìn)行加固。使用該方法首先要注意新增部分與原有部分的結(jié)合受力，新增部分的受力變形要在允許范圍內(nèi)；其次要考慮新增構(gòu)件與舊構(gòu)件共同受力的耐久性。

2 加固方法與模型建立

2.1 加固措施

該鋼桁架橋包括西岸和東岸兩部分，其中西岸需加固修復(fù)的部分及難度比東岸大，需全面考量加固方式及加固效果，故以西岸為研究對象。加固方法：對橋塔4個塔柱內(nèi)側(cè)增加C形槽鋼，對塔底橋面板兩側(cè)縱梁內(nèi)側(cè)也進(jìn)行C形槽鋼加固，為使C形槽鋼與原有塔柱共同工作，對加固處進(jìn)行焊接處理。橋塔上部構(gòu)件加固設(shè)計見圖2，塔底橋面板加固設(shè)計見圖3。

圖2 橋塔上部構(gòu)件加固設(shè)計(單位：mm)

圖3 塔底橋面板加固設(shè)計(單位：mm)

2.2 有限元建模

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，采用有限元軟件ABAQUS建立橋塔模型，對加固前橋塔和采用增大截面法加固后橋塔進(jìn)行對比分析。由于橋塔結(jié)構(gòu)裝配零件眾多且尺寸差異較大，為不影響有限元網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響結(jié)果的前提下對其細(xì)部連接構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。加固前橋塔有155 672個單元、312 976個節(jié)點(diǎn)，加固后橋塔有295 460個單元、576 180個節(jié)點(diǎn)。塔柱壁厚和塔底邊縱梁及加固的C形槽鋼為變截面，采用實(shí)體單元模擬，單元類型為C3D8R(八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元)；橋塔其余部分為等截面形式，在滿足精度的條件下，為節(jié)省計算時間，采用梁單元模擬，單元類型為B31(兩結(jié)點(diǎn)空間線性梁單元)。梁單元和實(shí)體單元采用耦合連接。加固的C形槽鋼與原橋塔柱和塔底兩側(cè)縱梁采用綁定連接模擬共同受力。橋塔加固前后模型見圖4，撓度和應(yīng)力觀測點(diǎn)布置見圖5。

圖4 橋塔模型

圖5 撓度和應(yīng)力觀測點(diǎn)布置

3 加固效果評定

3.1 分析工況

按最不利原則，考慮2種工況對鋼桁架橋塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。工況1：在橋梁旋轉(zhuǎn)開啟狀態(tài)下，只考慮自重及二期荷載。此時橋梁不通車，承受的荷載只有橋面板和鋼軌重量，二期重量為15.2 kN/m。工況2：在橋梁通車狀態(tài)，按中國鐵路橋涵荷載(TB 10002.1-99)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)列車荷載布置。

3.2 加固前后撓度和應(yīng)力對比

工況1下加固前后橋塔撓度分別見圖6、圖7，應(yīng)力分別見圖8、圖9，撓度、應(yīng)力對比分別見表1、表2。由表1、表2可知：工況1下，加固后1～5觀測點(diǎn)的撓度分別減少1.2、1.9、3.0、2.8、3.0 mm,加固后撓度分別為加固前的67.6%、72.9%、68.4%、74.1%、73.0%，說明增大截面加固能有效降低橋塔變形；加固后1～5觀測點(diǎn)的桿件應(yīng)力分別減少27.998、31.960、25.666、17.523、6.88 3MPa，加固后應(yīng)力分別為加固前的48.3%、54.4%、64.9%、65.5%、84.5%，桿件應(yīng)力降低顯著，橋塔承載力提高。

圖6 工況1下加固前橋塔撓度(單位：m)

圖7 工況1下加固后橋塔撓度(單位：m)

圖8 工況1下加固前橋塔應(yīng)力(單位：Pa)

圖9 工況1下加固后橋塔應(yīng)力(單位：Pa)

表1 工況1下加固前后觀測點(diǎn)撓度對比

表2 工況1下加固前后觀測點(diǎn)應(yīng)力對比

工況2下加固前后撓度分別見圖10、圖11，應(yīng)力分別見圖12、圖13，撓度、應(yīng)力對比分別見表3、表4。由表3、表4可知：工況2下，加固后1～5觀測點(diǎn)的撓度分別減少2.9、5.4、7.6、8.9、10.7 mm,加固后撓度分別為加固前的69.8%、70.5%、69.4%、69.7%、66.0%，增大截面法有效降低了橋塔變形；加固后1～5觀測點(diǎn)的桿件應(yīng)力分別比加固前減少88.297、79.735、62.645、89.285、110.398 MPa,加固后桿件應(yīng)力分別為加固前的43.7%、56.1%、68.2%、52.0%、91.4%，說明采用截面增大法加固橋塔對橋塔承載力的提高效果較好。

圖10 工況2下加固前橋塔撓度(單位：m)

圖11 工況2下加固后橋塔撓度(單位：m)

圖12 工況2下加固前橋塔應(yīng)力(單位：Pa)

圖13 工況2下加固后橋塔應(yīng)力(單位：Pa)

表3 工況2下加固前后觀測點(diǎn)撓度對比

表4 工況2下加固前后觀測點(diǎn)應(yīng)力對比

3.3 跨中最大撓度對比

采用MIDAS/Civil建立半橋模型，對比分析工況1、工況2下加固前后跨中最大位移,評價加固效果。工況1下加固前后跨中最大位移分別見圖14、圖15，工況2下加固前后跨中最大位移分別見圖16、見圖17，跨中最大位移對比見表5。

表5 兩工況下加固前后跨中撓度對比

圖14 工況1下加固前跨中最大位移(單位：mm)

圖15 工況1下加固后跨中最大位移(單位：mm)

圖16 工況2下加固前跨中最大位移(單位：mm)

圖17 工況2下加固后跨中最大位移(單位：mm)

4 結(jié)論

(1) 增大截面法可有效增大橋塔剛度，減小撓度變形，提高橋梁結(jié)構(gòu)受力性能及安全性。

(2) 通過增大橋塔截面，能減少橋梁跨中變形，工況1下跨中撓度加固后為加固前的84.1%,工況2下跨中撓度加固后為加固前的78.3%，增大截面加固法對減小橋梁跨中撓度有較好的效果。

(3) 增大截面法加固該鋼桁架橋塔的效果較好，該方法用于這類橋型加固可行、適用。