(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州350004)

粘鋼加固某鋼筋混凝土桁架拱橋方案研究

■廖智敏

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州350004)

本文以某鋼筋混凝土桁架拱橋的加固改造工程為背景，結(jié)合原橋的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范以及實(shí)際橋梁外觀檢測和荷載試驗(yàn)檢測結(jié)果，對原橋提出粘鋼加固方案。并運(yùn)用M I D A S/C I V I L建立該橋模型，分析該橋加固前后靜、動力特性及其穩(wěn)定性，研究確定該加固方案的可行性。

桁架拱橋加固改造靜動力特性穩(wěn)定性可行性

1 工程概況

某桁架拱橋?yàn)閱慰绲匿摻罨炷凌旒芄皹?，其中，橋長為(10.5m+1.2m+6.0m+1.2m)×2+50.0m=87.8m，橋面寬度為3.0m(人行道)+18.0m(機(jī)動車道)+3.0m(人行道)=24.0m。主跨為50m，并且由8根桁架拱片組成，拱片的矢跨比為1/8，梁拱片間的距離為3.2m。橋面系采用矢跨比為1/14的微彎板及C30防水混凝土填平層，下部結(jié)構(gòu)為框架式結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)輕型橋臺。橋梁正交，設(shè)計(jì)荷載：汽-20，掛-100。橋跨布置如圖1～圖3。

2 原橋使用現(xiàn)狀

圖1 橋梁的立面圖(單位：cm)

圖2 1/2橋梁的橫斷面圖(單位：c m)

圖3 橋梁的平面圖(單位：cm)

該橋建成通車至今已經(jīng)運(yùn)營10多年，在其期間往返于橋上的車輛超載超速還有混凝土收縮徐變等一些不可避免的自然條件影響，造成了局部受力構(gòu)件的損傷與破壞，從而將會威脅該橋整體的運(yùn)營安全。通過對該橋的外觀檢測報(bào)告可知，評定該橋完好狀態(tài)等級直接評為D級，處于不合格狀態(tài)，存在安全隱患。同時(shí)對該橋的荷載試驗(yàn)報(bào)告分析可知，本橋上部結(jié)構(gòu)目前尚滿足汽-20荷載等級的要求，但不滿足城-A荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 加固方案設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)目前繁忙的交通流量，提高橋梁的荷載等級，將原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)汽車-20，掛車-100，提高為城-A荷載等級。經(jīng)設(shè)計(jì)研究，本橋擬采用粘鋼加固法來加固該橋，并以MIDAS/CIVIL軟件分析加固前后橋梁靜、動力特性及其穩(wěn)定性的改善程度來評價(jià)粘鋼加固方法的加固效果。

該方法其實(shí)是在原橋的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下，降低梁內(nèi)的應(yīng)力。此方法能夠改變原橋構(gòu)件的截面，同時(shí)可以不需要中斷交通，并能有效的提高原橋截面的強(qiáng)度和剛度，從而來改善原橋的承載能力[1-2]。而針對本橋，做如下加固處理：在下弦桿左右兩側(cè)和下緣粘帖厚4mm的Q345鋼材，使8片下弦拱肋封閉成一個(gè)整體共同受力，在上弦桿左右兩側(cè)粘帖厚4mm和下緣粘帖厚6mm的Q345鋼材使8片上弦桿封閉成一個(gè)整體共同受力，具體見圖4～6。

圖4 下弦桿上下游外側(cè)正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖A(單位:cm)

圖5 下弦桿(除上下游外側(cè))正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖B(單位:cm)

圖6 上弦桿上下游外側(cè)正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖A(單位:cm)

圖7 上弦桿(除上下游外側(cè))正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖B(單位:cm)

4 空間模型建立

本文結(jié)合原橋的實(shí)際情況運(yùn)用MIDAS/CIVIL建立原橋加固后的空間模型。具體模型見圖8～圖9。

圖8 加固后的橋梁三維模型

圖9 加固后的上弦桿(左圖)、下弦桿(中圖)及實(shí)腹段(右圖)某節(jié)段示意圖

5 加固前后橋梁靜力特性分析

由于該橋?qū)儆阡摻罨炷凌旒芄皹?，下弦桿與實(shí)腹段為其主要的承重構(gòu)件。對于一般跨徑的桁架拱橋只需計(jì)算受力最大的一片，而該橋由8片桁架拱片組成，且跨寬比為2.08＜3，根據(jù)桁架拱橋靜力計(jì)算理論可知，應(yīng)采用杠桿法進(jìn)行計(jì)算分析，則此時(shí)橫向分布系數(shù)最大的是中片。同時(shí)，限于本文篇幅不能對各桁架拱片進(jìn)行詳細(xì)分析。故分析時(shí)，選取中片G5的下弦桿與實(shí)腹段為主要控制截面，作靜力特性分析。

另外，本文采用的粘鋼加固法為被動加固法，其加固過程屬于二次受力的問題，在進(jìn)行加固計(jì)算時(shí)，應(yīng)對粘鋼加固方案作必要的基本假定[3]。

(1)桿件在變形后，截面仍然為平面。

(2)對于受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度不予考慮。

(3)在進(jìn)行極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力取其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(4)鋼筋應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且不超過其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(5)當(dāng)桿件達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)時(shí)，鋼板拉應(yīng)變按平截面假設(shè)取值。鋼板應(yīng)力不超過其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(6)當(dāng)桿件達(dá)到受彎承載能力極限前，應(yīng)該要有安全的錨固措施，從而防止鋼板和混凝土兩者之間的粘結(jié)破壞。

5.1 加固前后橋梁正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

加固前后橋梁恒載活載應(yīng)力計(jì)算及對比見表1～2。

表1 加固前后橋梁恒載應(yīng)力計(jì)算及對比(單位：MPa)

表2 加固前后橋梁活載應(yīng)力計(jì)算及對比(單位：MPa)

在恒載、活載作用下，將加固后的各主要控制截面的應(yīng)力變化狀況同加固前的對比分析可知：采用粘鋼加固方案后相比于原橋，大部分應(yīng)力均符合拉應(yīng)力的減小和壓應(yīng)力儲備提高的變化，這對于該橋的整體受力是十分有利的，說明粘鋼加固方案充分起到了優(yōu)化該橋受力的目的。再按照《規(guī)范》[4]進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力組合，具體結(jié)果見表3。

表3 加固前后各控制截面正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力組合計(jì)算及對比(單位：MPa)

通過上表分析可知，采用粘鋼加固法后下弦桿和實(shí)腹段截面的應(yīng)力值取得了較好的改善。截面的拉應(yīng)力有不同程度的下降，而大部分的壓應(yīng)力也有不同程度的增大，并且都在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，這對鋼筋混凝土桁架拱的整體受力是極其有利的。

5.2 加固前后橋梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

加固前后各控制截面承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算如表4所示。

表4 加固前后各控制截面承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算

通過表4分析可知，采用粘鋼加固法能夠有效地改善全橋受力情況，使得下弦桿與實(shí)腹段交界處及實(shí)腹段1/4、1/2截面的偏心距在加固后均通過驗(yàn)算，而且還提高了正截面強(qiáng)度，即橋梁的承載能力得到了提高。

5.3 加固前后橋梁結(jié)構(gòu)撓度的計(jì)算分析

加固前后各控制截面DZmax見表5。

表5 加固前后各控制截面DZmax(縱向最大撓度)(單位：mm)

通過表5分析可知，采用粘鋼加固法后，原橋有明顯的上撓，說明粘鋼加固法能夠有效改善全橋的受力性能，從而有效地阻止鋼筋混凝土桁架拱橋的繼續(xù)下?lián)希⑦m當(dāng)恢復(fù)橋結(jié)構(gòu)線形。

綜上所述，采用粘鋼加固法，本質(zhì)上是增大截面，能夠提高下弦桿與實(shí)腹段中性軸的位置，使其截面大部分處于受壓，從而來增大截面的剛度。從靜力方面的數(shù)據(jù)分析可知，采用粘鋼加固方案對提高該橋的整體剛度以及承載能力有明顯效果。

6 加固前后橋梁動力特性及其穩(wěn)定性分析

6.1 加固前后橋梁的自振特性分析

本文從計(jì)算的前20階的自振模態(tài)分析，其振型包括有下弦主拱肋與橋面系的面內(nèi)、面外振動和空間扭轉(zhuǎn)振動以及腹桿的彎曲振動。但是在通常情況下，結(jié)構(gòu)面內(nèi)、面外前幾階自振頻率及其對應(yīng)的振型起關(guān)鍵的作用，故本文提取前20階中的面內(nèi)、面外各自前五階的自振頻率及其對應(yīng)的振型來進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表6。

通過表6分析可知：粘鋼加固法對原橋的面外和面內(nèi)各階自振頻率，除個(gè)別階次有所降低外，其余大部分都有不同程度的提高，即對全橋面內(nèi)和面外整體剛度都有改善。其中，從整體上觀察，對面內(nèi)各階自振頻率的提高幅度要大于面外各階自振頻率的提高幅度，即對全橋面內(nèi)剛度的改善狀況要明顯優(yōu)于面外剛度。

表6 加固前后橋梁各階自振頻率及其變化統(tǒng)計(jì)表

6.2 加固前后橋梁的穩(wěn)定性分析

本文主要是對加固前后在自重、二期荷載作用下的工況來建立有限元屈曲分析模型，從而來分析加固前后該橋的穩(wěn)定性。并從計(jì)算的前20階的屈曲模態(tài)分析，除前兩階為下弦拱肋面外橫向側(cè)傾失穩(wěn)，其余均為腹桿局部失穩(wěn)，本文限于篇幅，僅對原橋加固前后的前8階的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地分析說明，具體結(jié)果見表7。

通過表7分析可知：該橋采用粘鋼加固法后的整體結(jié)構(gòu)彈性屈曲安全系數(shù)，即一階穩(wěn)定安全系數(shù)為10.243，符合一般拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)4～5的要求[5-6]。從上表數(shù)據(jù)分析可知，采用粘鋼加固方案對原橋的前8階穩(wěn)定安全系數(shù)都有不同程度的提高，即采用3種加固方案均對橋梁的整體穩(wěn)定性及整體剛度都有所改善。

表7 加固前后橋梁各階穩(wěn)定安全系數(shù)及其變化統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，采用粘鋼加固方案對于原橋的自振特性和自重及二期恒載作用下的穩(wěn)定性均起到了一定的改善作用。

7 結(jié)論

本文運(yùn)用MIDAS/CIVIL軟件建模計(jì)算分析得到粘鋼加固方案下橋梁靜、動力特性及其穩(wěn)定性的改善情況并與加固前作了對比，從數(shù)據(jù)分析可知粘鋼加固方案對原橋靜力特性及其下弦主拱肋極限承載力改善效果顯著，同時(shí)對于原橋的自振特性和穩(wěn)定性也有很好的改善，即該桁架拱橋采用粘鋼加固方案可行。

[1]李月姚．貼鋼法加固橋梁技術(shù)探討[C]．廣東省公路學(xué)會橋梁維護(hù)與加固學(xué)術(shù)交流會，2006．

[2]郭書娟，蒙云，等．粘貼鋼板法加固牛鼻溪橋應(yīng)用研究[J]．內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2008(05)：25-28．

[3]諶潤水，胡釗芳，帥長斌．公路舊橋加固技術(shù)與實(shí)例[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．JTG-D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2004．

[5]陳淮，胡鋒，申哲會，等．斜靠式拱橋穩(wěn)定性分析[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33(增刊)：182-186．

[6]陳寶春．鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M]．北京：人民交通出版社，1999．