MidasCivil軟件中施工階段聯(lián)合截面功能在石拱橋加固中的應(yīng)用

冉啟永

（遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 遵義 563000）

在石拱橋的結(jié)構(gòu)承載體系中，主拱圈處于舉足輕重的地位，上部結(jié)構(gòu)及車輛荷載最終都通過(guò)主拱圈傳到基礎(chǔ)部分。大部分石拱橋的加固都要進(jìn)行主拱圈加固。目前，石拱橋加固中對(duì)主拱圈的加固方法都是增大拱圈截面。由于加固材料不同或同種材料的強(qiáng)度不同，加固計(jì)算時(shí)需要考慮新舊拱圈的剛度及新增拱圈中原有拱圈和新增拱圈的收縮徐變，分析兩種不同構(gòu)件各自分配的內(nèi)力及應(yīng)力。現(xiàn)有的有限元軟件對(duì)主拱圈加固計(jì)算都是建立新舊構(gòu)件單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的剛接進(jìn)行數(shù)值模擬。由于剛度對(duì)內(nèi)力分配的影響較大，鋼接處的計(jì)算結(jié)果不能反映構(gòu)件的實(shí)際受力情況；若剛接點(diǎn)設(shè)置太少，又不能反映構(gòu)件的聯(lián)合受力情況。

為避免以上情況，本橋采用Midas Civil軟件中的施工階段聯(lián)合截面功能，對(duì)該橋進(jìn)行數(shù)值分析，使得分析過(guò)程簡(jiǎn)單，同時(shí)可體現(xiàn)不同構(gòu)件材料的時(shí)間依存性，并使結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得以簡(jiǎn)化。

1 Midas C ivil軟件中施工階段聯(lián)合截面的實(shí)現(xiàn)原理

聯(lián)合結(jié)構(gòu)指由兩種不同材料的構(gòu)件，或者同一種材料但強(qiáng)度和材齡不同的構(gòu)件聯(lián)合所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。Midas C ivil中的聯(lián)合截面處理主要是通過(guò)建立不同的施工階段，在適當(dāng)?shù)氖┕るA段將兩種材料聯(lián)合，根據(jù)兩種構(gòu)件的剛度和變形協(xié)調(diào)原理來(lái)分配構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力，且可以考慮不同構(gòu)件材齡引起的收縮徐變。

2 復(fù)興大橋的基本情況

復(fù)興大橋位于桐梓縣松坎至獅溪公路K62＋732處。建于1980年，已使用31年，沒(méi)有找到設(shè)計(jì)文件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該橋?yàn)橐豢缈崭故降冉孛鎽益溇€石拱橋，凈跨徑為50.0m，橋全長(zhǎng)67.8m，主拱圈截面高度D＝1.3m，矢跨比f(wàn)0／10＝1／8.2（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)），拱軸系數(shù)m＝2.24（由實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)確定）；根據(jù)該地區(qū)類似橋梁情況結(jié)合當(dāng)時(shí)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)推算，該橋荷載等級(jí)為汽—20、掛—100。該橋主拱圈有開(kāi)裂、下?lián)犀F(xiàn)象。近年來(lái)，該公路上交通量增大、重載車輛增多，急需進(jìn)行加固改造。

3 加固處理方案

3.1 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)該公路交通量的特點(diǎn)，結(jié)合該橋的實(shí)際情況，按公路—Ⅱ級(jí)荷載進(jìn)行加固提載。具體的加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

a）通過(guò)植筋方式，在原主拱圈底部設(shè)置三根截面尺寸為100cm×60cm的縱向鋼筋混凝土拱肋，縱向拱肋采用截面尺寸為100cm×60cm橫向系梁相連；

b）通過(guò)植筋方式，在原橋拱座及基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)澆注1m厚度的鋼筋混凝土來(lái)支撐新增拱肋；

c）維持原橋面標(biāo)高不變，對(duì)橋梁系拆除翻修；

d）通過(guò)懸臂梁來(lái)增設(shè)人行道及欄桿。

3.2 主拱圈驗(yàn)算結(jié)果

3.2.1 計(jì)算方法

采用Midas C ivil按平面單元分別建立原橋和加固后裸拱數(shù)值模型，不考慮拱上建筑的聯(lián)合作用，整個(gè)主拱圈結(jié)構(gòu)離散為50個(gè)單元（見(jiàn)圖1）。

圖1 復(fù)興大橋模型圖

主拱圈以上結(jié)構(gòu)的自重按靜力荷載處理，主拱圈自重由程序自動(dòng)計(jì)入，汽車荷載為公路—Ⅱ，人群荷載之和為3.0kN／m2。按規(guī)范JTG D60—2004第4.1.6條，建立下列三種荷載組合：

a）荷載組合Ⅰ為恒載＋汽車荷載＋人群；

b）荷載組合Ⅱ?yàn)椋汉爿d＋汽車荷載＋人群＋溫升；

c）荷載組合Ⅲ為恒載＋汽車荷載＋人群＋溫降；

由于該橋已建成使用多年，本次只進(jìn)行成橋階段驗(yàn)算，但為了解主拱圈原截面和新增拱肋截面的應(yīng)力分布情況，加固后的模型共劃分為4個(gè)施工階段，在第二施工階段建立原截面和新增拱肋截面的聯(lián)合截面，使兩種剛度不同的材料協(xié)調(diào)受力。各施工階段的主要情況如下：

a）第一階段 添加主拱圈單元（截面為未加固前的截面）、自重及相應(yīng)的邊界；

b）第二階段 建立施工階段聯(lián)合截面，使新增拱肋截面與原截面共同協(xié)調(diào)受力；

c）第三階段 添加主拱圈以上部分的結(jié)構(gòu)自重；

d）第四階段 給該施工階段3 650d的時(shí)間來(lái)考慮新增混凝土拱肋收縮徐變的時(shí)間依存性.

3.2.2 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)內(nèi)力結(jié)果，計(jì)算在最大彎矩和最大軸力情況下主拱圈拱腳、1／8跨、1／4跨、3／8跨及拱頂特征斷面處截面強(qiáng)度系數(shù)（K＝R（fd，ad）／γ0S）見(jiàn)表1。

表1 各截面強(qiáng)度系數(shù)值表

計(jì)算結(jié)果表明，在公路—Ⅱ級(jí)荷載下，加固前主拱圈拱腳截面在組合Ⅲ工況下（最大負(fù)彎矩）不滿足要求，其它截面的截面承載力滿足規(guī)范要求；加固后拱腳截面的截面強(qiáng)度系數(shù)由0.93提高到1.17，截面承載力滿足規(guī)范要求。

3.2.3 整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)驗(yàn)算，在最不利荷載組合（組合Ⅱ）下，加固前強(qiáng)度穩(wěn)定系數(shù)φAfcd/γ0Nd=0.84，可見(jiàn)整體縱向穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求；加固后強(qiáng)度穩(wěn)定系數(shù)φAfcd/γ0Nd=2.04，整體縱向穩(wěn)定滿足要求。

4 截面計(jì)算應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

原拱圈和新增拱肋的理論計(jì)算應(yīng)力與荷載試驗(yàn)中的測(cè)試應(yīng)力對(duì)比如表2所示。

表2 理論計(jì)算與測(cè)試最大應(yīng)力數(shù)值表

可見(jiàn)理論計(jì)算和實(shí)測(cè)應(yīng)力相差不大，表明Midas C ivil中施工階段聯(lián)合截面功能可以較好地應(yīng)用于石拱橋加固計(jì)算中。

5 結(jié)語(yǔ)

理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比和具體施工均表明，Midas C ivil計(jì)算方法合理、適用。

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

[2]諶潤(rùn)水，胡釗芳，帥長(zhǎng)斌.公路舊橋加技術(shù)與實(shí)例[J].人民交通出版社，2003，（11）：33-34.

[3]單成林.舊橋加固設(shè)計(jì)原理及計(jì)算示例[J].人民交通出版社，2007，（2）：77.

[4]胡崇武，范立礎(chǔ)，周衛(wèi).大跨度石拱橋拱上結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用分析與研究[J].公路交通科技，2005，（1）：88-89.

[5]林陽(yáng)子，黃僑，任遠(yuǎn).拱橋拱軸線的優(yōu)化與選形[J].公路交通科技，2007，（3）：18-19.