【摘 要】以四川省巴中市巴河大橋檢測與加固工程為背景，通過對該橋的現(xiàn)場檢測與靜、動載試驗(yàn)，找到其存在的缺陷及損傷。根據(jù)檢測結(jié)果選擇混凝土套拱加固法對拱橋進(jìn)行加固。通過Ansys實(shí)體模型對加固施工的全過程進(jìn)行模擬分析，得到加固過程中拱橋原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的位移、受力情況和全橋的剛度提升水平。結(jié)果表面混凝土套拱加固法可以有效應(yīng)用于眾多的圬工拱橋加固工程中。

【關(guān)鍵詞】圬工拱橋; 混凝土套拱加固; Ansys實(shí)體模型; 剛度提升

【中圖分類號】U445.7+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

圬工拱橋，尤其是石拱橋，在我國有悠久的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在中國的各類型橋梁中，拱橋約占61 %，特別是在山高谷深，石料豐富的四川地區(qū)，拱橋占90 %以上，以圬工拱橋數(shù)量最多。但是，該類圬工拱橋大多修建年份較久遠(yuǎn)，在自然環(huán)境的侵蝕和日漸增長的交通荷載影響下，出現(xiàn)了不同程度的損傷。為了解橋梁現(xiàn)狀，保證結(jié)構(gòu)的安全，必須通過檢測，對存在問題的橋梁采取必要的加固措施?；炷撂坠凹庸谭ㄗ鳛楸姸嗉庸谭椒ㄖ械囊环N，由于其增大受力截面和套箍效應(yīng)的作用使舊拱橋整體受力均勻，能達(dá)到增強(qiáng)整體性，提高承載力的目的，已被廣泛應(yīng)用于圬工拱橋的加固中[1] 。

1 工程背景

本項(xiàng)目巴河大橋位于位于四川省巴中市平昌縣省道202線公路，中心樁號K247+513.42，橋梁跨徑組合為（3×10+4×50+10） m漿砌塊石無鉸石拱橋，橋梁全長290 m，橋面組合為（1.9+7.0+1.9） m;下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ);橋面鋪裝為瀝青混凝土。該橋設(shè)計(jì)汽車荷載等級為汽車-20級，設(shè)計(jì)安全等級為二級。

2 橋梁檢測結(jié)果評定

2.1 舊橋現(xiàn)有參數(shù)測定

根據(jù)現(xiàn)場檢測，巴河大橋主體結(jié)構(gòu)采用圬工砌體結(jié)構(gòu)，其主拱圈為M10砂漿砌MU60塊石，立墻為M10砂漿砌MU60塊石，腹拱拱圈采用M10砂漿砌MU60塊石。表1、表2分別是根據(jù)檢測結(jié)果提取的全橋主要幾何參數(shù)與圬工材料參數(shù)表。

2.2 試驗(yàn)檢測結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場檢測該橋的損傷情況，并結(jié)合橋梁技術(shù)規(guī)范，該橋現(xiàn)總體評定為三類橋。根據(jù)靜載和動載試驗(yàn)結(jié)果，該橋承載力和整體剛度滿足設(shè)計(jì)荷載等級（汽車-20級，掛車-100級）要求。建議按照J(rèn)TG H11-2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》的規(guī)定，對該橋進(jìn)行中修，酌情進(jìn)行交通管制;對拱圈滲水進(jìn)行處治，建議對拱圈進(jìn)行加固。對橋面鋪筑破損開裂進(jìn)行修復(fù)處治，建議對橋面鋪筑進(jìn)行進(jìn)行挖除重建。對該橋其余病害進(jìn)行處治[2] 。

3 拱橋加固處治方案

根據(jù)檢測報(bào)告計(jì)算結(jié)果，該橋主要構(gòu)件存在輕微功能性病害，技術(shù)狀況評定為3類橋，需要對其進(jìn)行加固處治。

3.1 橋面系

（1）按人行道位置橋面鑿除46 cm厚度的標(biāo)高控制，橫橋向水平鑿除橋面，上緣40 cm厚原側(cè)墻均鑿除，重新依次鋪筑C15混凝土墊層、防水卷材、現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土橋面板、防水粘結(jié)層和瀝青混凝土橋面鋪裝。橋面板及瀝青橋面鋪裝在起止點(diǎn)橋臺伸縮縫位置及橋跨伸縮縫位置應(yīng)設(shè)置豎向通縫，并增設(shè)80型伸縮縫。

（2）原人行道及欄桿均鑿除，重新澆筑鋼筋混凝土緣石及鋪設(shè)鋼筋混凝土人行道板，欄桿均更換為鋼欄桿。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

（1）主拱圈、腹拱圈砌縫和裂縫采用高壓灌注環(huán)氧水泥砂漿進(jìn)行封閉補(bǔ)強(qiáng);對4#～7#主拱圈采用增大截面法的加固技術(shù)，拱腳部分采用鋼筋混凝土套箍加固，其余部分采用拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板加固[3]。

（2）對全橋腹拱及引拱采用增大截面法的加固技術(shù)，通過拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板進(jìn)行加固。

（3）原側(cè)墻全部更換為C20混凝土側(cè)墻。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

將原橋橋墩出現(xiàn)的灰縫脫落采用M10水泥砂漿進(jìn)行勾縫，并采用鋼筋混凝土套箍加固技術(shù)進(jìn)行加固。

4 Ansys實(shí)體模型加固過程分析

4.1 實(shí)體模型建立

計(jì)算結(jié)構(gòu)采用SOLID65單元模擬，此單元有8個結(jié)點(diǎn)，每個結(jié)點(diǎn)3個自由度。該單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的功能。每個單元都有2×2×2個高斯積分點(diǎn)，見圖2。建立Ansys實(shí)體模型見圖3。

在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)底面位置，約束面上所有自由度，形成固結(jié);埋置于巖土中的墩臺面上約束結(jié)構(gòu)順橋向自由度，邊界條件見圖4。

計(jì)算荷載主要有：重力、二期恒載、整體溫度荷載、汽車荷載和人群荷載。

結(jié)構(gòu)重力系數(shù)取為9.8 m/s2。溫度按升溫18 ℃，降溫18 ℃考慮，結(jié)合圬工規(guī)范拱橋溫度效應(yīng)考慮折減系數(shù)0.7，取升溫12.6 ℃，降溫12.6 ℃[4]。

二期恒載為欄桿和人行道板，單側(cè)每延米重量：10 kN/m。（模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，均布荷載為P1=10×2/10.8=1.85 kN/m2）

車道荷載按公路-I級加載，模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，不考慮折減。車道均布荷載P2=10.5×2/10.8=1.94 kN/m2。車道荷載中的集中力，主拱上每個車道集中力總和為360 kN，分為11個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載，每個節(jié)點(diǎn)承擔(dān)F1=360×2/11=65.45 kN。引拱上11個節(jié)點(diǎn)各承擔(dān)F2=200×2/11=36.36 kN。

人行道，兩側(cè)各1.7 m寬，人群荷載對結(jié)構(gòu)影響較小，按滿布人群荷載考慮：3 kN/m2。（模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，均布荷載為P3=3×1.7×2/10.8=0.94 kN/m2）。

通過Midas計(jì)算得到的汽車荷載影響線布置活載，分三種情況布置。

（1）活載按對主拱拱頂截面最不利情況，按影響線布載見圖5。

（2）活載按對主拱1/4截面最不利情況，按影響線布載見圖6。

（3）活載按對主拱拱腳截面最不利情況，按影響線布載見圖7。

4.2 加固施工階段

本計(jì)算準(zhǔn)確應(yīng)用應(yīng)力疊加原理模擬原橋成橋和加固過程，包括施工過程和成橋后使用階段：

（1）裸拱自重。

（2）立墻、腹拱圈加載。

（3）填料加載。

（4）橋面加載（原橋成橋）。

（5）主墩加固并去除橋面。

（6）主拱加固。

（7）腹拱加固。

（8）橋面加載（加固完成）。

（9）加固混凝土收縮（按降溫20 ℃考慮，據(jù)圬工規(guī)范折減為45 %，取降溫9 ℃）

（10）整體溫度變化（升溫/降溫）

（11）車道及人群荷載（分別對3個主拱控制截面最不利影響考慮。）

整個加固施工過程采用非線性單元生死技術(shù)計(jì)算。在計(jì)算過程中，如果要在模型中加入（或刪除）材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在”（或消亡）。要激活“單元死”的效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)，或其他分析特性）矩陣乘以一個很小的因子[ESTIF] ，因子缺省值為1.0×10-6，死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效[5] 。

4.3 加固分析結(jié)果

4.3.1 應(yīng)力分析

（1）主應(yīng)力分析

圖8～圖11為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主拉應(yīng)力云圖和跡線圖，從圖中可以看出，立柱與主拱圈結(jié)合處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力水平較大，其余部位主拉應(yīng)力水平均較小。

圖12～圖15為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主壓應(yīng)力云圖和跡線圖。最不利荷載作用下，主拱圈拱頂主壓應(yīng)力小于-1.11 MPa，拱腳主壓應(yīng)力小于-2.37 MPa;均小于其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

表3、表4為各階段主拱圈與腹拱圈主應(yīng)力表（表中主應(yīng)力僅作為參考，包括應(yīng)力集中值），從表中可以看出加固后主拱圈主拉應(yīng)力最大值與加固前基本相同，均為0.1 MPa。但是混凝土收縮對主拱圈主拉應(yīng)力有較大影響。

對比表3、表4可見，整體降溫對主拱圈受力不利，主拱圈最大拉應(yīng)力增大約0.32 MPa，而對腹拱受力有利，主拉應(yīng)力減少約0.15 MPa。

整體升溫對主拱圈受力有利，主拱圈最大拉應(yīng)力減小約0.32 MPa，而對腹拱受力不利，主拉應(yīng)力增大約0.16 MPa。

（2）正應(yīng)力分析

下面提出拱頂、拱腳、1/4主拱截面的各階段正應(yīng)力值，對比原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的受力情況（以加固完成階段為例）見圖16～圖19。

按此步驟依次分析各階段拱橋控制截面原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力，得到表5、表6。

由表5、表6可知，加固后原橋主拱圈在后續(xù)工況下仍全截面受壓。而鋼筋混凝土加固結(jié)構(gòu)在收縮、降溫及車道荷載作用下會產(chǎn)生拉應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算其最大裂縫為0.09 mm，滿足規(guī)范0.2 mm的要求。

4.3.2 位移分析

表7、表8為模型（降溫/升溫）工況下主拱圈最大豎向位移?？梢钥闯觯簩?shí)體模型在原橋恒載作用下，主拱圈最大豎向位移為14.2 mm，加固后主拱圈最大豎向位移為13.4 mm，部分卸載情況下加固主拱圈，主拱位移有較小的上撓值。

總體來看，實(shí)體模型的豎向位移值為：降溫最不利荷載作用下，最大位移26.3 mm;升溫最不利荷載作用下，最大位移17.4 mm。

4.3.3 模態(tài)分析

對原橋和加固后全橋進(jìn)行模態(tài)分析，主要提取其一階豎向自振頻率進(jìn)行比較，分析其剛度變化（圖20、圖21）。

可見原橋一階豎向自振頻率為1.051 Hz，加固后全橋一階豎向自振頻率為1.521 Hz。加固對拱橋的剛度提高效果很明顯。

5 結(jié)論

加固后，原主拱圈在所有荷載工況下，拱頂、拱腳和1/4截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力小于4.22 MPa，在允許范圍內(nèi)。主拱混凝土加固部分最大裂縫寬度小于0.2 mm，在允許范圍內(nèi)。車道荷載對原結(jié)構(gòu)影響相對減小，大部分被加固結(jié)構(gòu)承擔(dān)，表明混凝土套拱加固對巴河大橋承載力提升有利。

加固混凝土的收縮與整體升溫、降溫工況對全橋影響較大：混凝土收縮導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，對原砌體結(jié)構(gòu)略有不利影響;降溫工況對加固結(jié)構(gòu)不利，對原砌體結(jié)構(gòu)也較為不利;升溫工況對加固結(jié)構(gòu)有利，對原砌體結(jié)構(gòu)影響不大。

由模態(tài)分析結(jié)果可以得出，加固后全橋豎向一階自振頻率較加固前有明顯提高，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度增加，套拱加固對結(jié)構(gòu)剛度提升效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]周建庭，劉思孟，李躍軍. 石拱橋加固改造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.2008.

[2]JTG H11-2004 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[3]JTG /T J22-2008 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.

[定稿日期]2021-01-13

[作者簡介]曾仲（1989～），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)及橋梁結(jié)構(gòu)方向研究。