粘貼鋼板法加固剛架拱橋的應(yīng)用研究

唐濤+呂元佳

摘 要：文章以某剛架拱橋加固整治工程為依托，根據(jù)該橋技術(shù)狀況及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有剛架拱橋加固技術(shù)，制定了一套加固整治方案，并應(yīng)用有限元軟件作為工具，分析了剛架拱橋采用粘貼鋼板法加固前、后的力學(xué)性能。結(jié)果表明，粘貼鋼板法加固后主拱圈正截面承載力在各工況下均滿足使用要求，且承載力富余量較大。

關(guān)鍵詞：粘貼鋼板法；強(qiáng)度驗(yàn)算；剛架拱橋；加固

1 概述

剛架拱橋具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外觀輕盈美觀、組成構(gòu)件重量小、吊裝施工方便、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的交通荷載等級(jí)不斷提高，剛架拱橋在其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受車輛荷載，不可避免地出現(xiàn)了一系列病害[1]。目前，我國(guó)有近百座鋼筋混凝土剛架拱橋安全性與耐久性出現(xiàn)不足，個(gè)別剛架拱橋甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。如果采取拆除重建的方式，不僅時(shí)間成本大，而且還影響交通運(yùn)輸[2]，因此，采取局部加固的方式提高橋梁承載能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

粘貼鋼板法是一種常用的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，其是指在鋼筋混凝土等構(gòu)件的表面上粘貼具有較大抗拉強(qiáng)度的薄鋼板，使之與構(gòu)件形成整體，使得混凝土整體和薄鋼板能夠協(xié)同工作，能夠使構(gòu)件薄弱部分與存在缺陷的部分得到改善、構(gòu)件的裂縫擴(kuò)展得到抑制[3]。本文以某剛架拱橋加固整治工程為依托，在總結(jié)和分析該類橋梁病害和現(xiàn)有加固技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用Midas/civil 2015軟件進(jìn)行了承載力驗(yàn)算，提出了一套針對(duì)剛架拱橋的加固增強(qiáng)方案。

2 工程概況

某橋?yàn)橐豢變艨?0m、全長(zhǎng)86m的混凝土剛架拱橋，建成于1997年。該橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-超20級(jí)、掛車-120，橋面寬度為16.5m快車道+2×0.5m防撞護(hù)欄。本橋上部構(gòu)造除橋面、翼板、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為預(yù)制混凝土構(gòu)件，全橋由7片拱肋組成。拱腳、斜撐及弦桿均為一段預(yù)制，實(shí)腹段為兩段預(yù)制。在拱頂接頭、實(shí)腹段與拱腿、弦桿與拱腿等接頭處均采用鋼板接頭，其余均采用鋼筋焊接現(xiàn)澆混凝土接頭。拱頂?shù)念A(yù)拱度為L(zhǎng)/800，實(shí)腹段范圍內(nèi)按二次拋物線設(shè)置，拱腿范圍內(nèi)按直線變化。本橋拱片現(xiàn)澆接頭采用35號(hào)混凝土，拱片、微彎板、現(xiàn)澆混凝土填平層、現(xiàn)澆翼板拱座、橋頭搭板采用30號(hào)混凝土。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該橋拱肋局部出現(xiàn)不同程度豎向裂縫；橫梁與拱肋連接處鋼板出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；拱肋、橋面板混凝土出現(xiàn)破損、腐蝕、剝落現(xiàn)象；各拱肋聯(lián)結(jié)橫梁連接狀況較差。鋪裝多處坑洞；部分泄水管周圍混凝土剝落、鋼筋銹蝕，伸縮縫破損，橋臺(tái)局部出現(xiàn)不同程度裂縫。

為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力整體性及防止裂縫的擴(kuò)展，采用粘貼鋼板對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的維修加固增強(qiáng)的技術(shù)方案，主拱圈每片拱肋L/4～3L/4區(qū)段底部粘貼縱向鋼板，并外箍U型鋼板條，鋼板條的凈距為25cm，厚度為6mm。采用表面封閉法、壓力灌漿法修補(bǔ)拱肋、橫梁及橋臺(tái)裂縫。為保證加固層施工過(guò)程中每個(gè)主拱肋受力均衡對(duì)稱以及橋墩所受水平推力均衡對(duì)稱，施工時(shí)各自同時(shí)從兩拱腳至拱頂方向?qū)ΨQ施工。

3 加固前后有限元分析

3.1 有限元分析模型建立

采用有限元軟件“Midas/civil 2015”建立有限元模型；由于該橋車行道及結(jié)構(gòu)均為對(duì)稱布置，分別選取1#～7#肋拱腳截面、L/8、L/4及L/2截面進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算；永久作用主要為結(jié)構(gòu)重力，鋼筋混凝土容重26.0kN/m3；可變作用為公路-II級(jí)（按照公路-II級(jí)車道荷載計(jì)算，橫向布置4車道，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 JTG D60-2004考慮車輛沖擊系數(shù)及橫向折減系數(shù)）；全橋溫升12度和溫降18度；承載能力極限狀態(tài)基本組合，荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2004取值。

計(jì)算原橋受力時(shí)采用301個(gè)節(jié)點(diǎn)、422個(gè)梁?jiǎn)卧M上部結(jié)構(gòu)，采用156個(gè)板單元模擬微彎板橫向傳力作用。拱腿及斜撐與橋臺(tái)連接處邊界條件為固定鉸支，與弦桿連接處為剛性連接，弦桿與支座處邊界條件為可移動(dòng)鉸支，微彎板自重、欄桿自重及二期恒載采用梁?jiǎn)卧奢d擬合，微彎板材料采用容重為零、其余參數(shù)與C35相同的自定義材料，其余單元材料為C35混凝土。計(jì)算加固后橋梁承載力時(shí)，按照加固后的橋梁實(shí)際結(jié)構(gòu)形式建立空間模型，加固后的截面按照加固方案采用組合截面。

3.2 拱橋加固前后受力分析

內(nèi)力分析通過(guò)某剛架橋承載力驗(yàn)算與加固施工全過(guò)程內(nèi)力分析。根據(jù)有限元軟件空間模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，由于中游幅橋車行道及結(jié)構(gòu)均為對(duì)稱布置，選取4#肋拱腳截面、L/4及拱頂截面進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算的結(jié)果，如表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，主拱圈加固前4#肋L/4、拱頂截面承載力不足，經(jīng)過(guò)在主拱圈每片拱肋L/4～3L/4區(qū)段底部粘貼縱向鋼板，并外箍U型鋼板條進(jìn)行加固處治后，主拱圈4#肋L/4、拱頂?shù)任ｋU(xiǎn)截面承載能力在各工況下均滿足使用要求，并且其他關(guān)鍵截面承載力均得到了一定的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要將粘貼鋼板技術(shù)，應(yīng)用于剛架拱橋的加固整治具體工程之中。通過(guò)有限元仿真分析，粘貼鋼板法加固剛架拱橋后，主要控制截面承載能力都有所提高，加固后橋梁承載力能夠滿足公路-Ⅱ級(jí)荷載等級(jí)使用要求，且富余量較大，取得了較好的加固效果，文中的加固方案和分析方法為同類型橋梁的加固處治提供了有益的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?.剛架拱橋的靜載試驗(yàn)研究[J].西部交通科技，2012（7）：59-62.

[2]李海，朱慶鋮.粘貼鋼板法在橋梁維修加固中的應(yīng)用[J].路橋科技，2013（21）：76-80.

[3]赫中營(yíng)，王根會(huì).既有鋼筋混凝土剛架拱橋病害分析與加固措施[J].公路與汽運(yùn)，2008（1）：113-116.