粘鋼加固某鋼筋混凝土桁架拱橋方案研究

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州350004)

粘鋼加固某鋼筋混凝土桁架拱橋方案研究

■廖智敏

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，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，結合原橋的設計圖紙、設計標準和設計規范以及實際橋梁外觀檢測和荷載試驗檢測結果，對原橋提出粘鋼加固方案。并運用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定性可行性

1 工程概況

某桁架拱橋為單跨的鋼筋混凝土桁架拱橋，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，下部結構為框架式結構的樁基礎輕型橋臺。橋梁正交，設計荷載：汽-20，掛-100。橋跨布置如圖1～圖3。

2 原橋使用現狀

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運營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，造成了局部受力構件的損傷與破壞，從而將會威脅該橋整體的運營安全。通過對該橋的外觀檢測報告可知，評定該橋完好狀態等級直接評為D級，處于不合格狀態，存在安全隱患。同時對該橋的荷載試驗報告分析可知，本橋上部結構目前尚滿足汽-20荷載等級的要求，但不滿足城-A荷載標準要求。

3 加固方案設計

為了適應目前繁忙的交通流量，提高橋梁的荷載等級，將原設計荷載標準汽車-20，掛車-100，提高為城-A荷載等級。經設計研究，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、動力特性及其穩定性的改善程度來評價粘鋼加固方法的加固效果。

該方法其實是在原橋的結構不發生變化的情況下，降低梁內的應力。此方法能夠改變原橋構件的截面，同時可以不需要中斷交通，并能有效的提高原橋截面的強度和剛度，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：在下弦桿左右兩側和下緣粘帖厚4mm的Q345鋼材，使8片下弦拱肋封閉成一個整體共同受力，在上弦桿左右兩側粘帖厚4mm和下緣粘帖厚6mm的Q345鋼材使8片上弦桿封閉成一個整體共同受力，具體見圖4～6。

圖4 下弦桿上下游外側正面粘帖鋼板一般構造圖A(單位:cm)

圖5 下弦桿(除上下游外側)正面粘帖鋼板一般構造圖B(單位:cm)

圖6 上弦桿上下游外側正面粘帖鋼板一般構造圖A(單位:cm)

圖7 上弦桿(除上下游外側)正面粘帖鋼板一般構造圖B(單位:cm)

4 空間模型建立

本文結合原橋的實際情況運用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)及實腹段(右圖)某節段示意圖

5 加固前后橋梁靜力特性分析

由于該橋屬于鋼筋混凝土桁架拱橋，下弦桿與實腹段為其主要的承重構件。對于一般跨徑的桁架拱橋只需計算受力最大的一片，而該橋由8片桁架拱片組成，且跨寬比為2.08＜3，根據桁架拱橋靜力計算理論可知，應采用杠桿法進行計算分析，則此時橫向分布系數最大的是中片。同時，限于本文篇幅不能對各桁架拱片進行詳細分析。故分析時，選取中片G5的下弦桿與實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，在進行加固計算時，應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)對于受拉區混凝土的抗拉強度不予考慮。

(3)在進行極限狀態計算時，受拉區鋼筋應力取其抗拉強度設計值。

(4)鋼筋應力等于鋼筋應變與其彈性模量的乘積，且不超過其強度設計值。

(5)當桿件達到受彎承載能力極限狀態時，鋼板拉應變按平截面假設取值。鋼板應力不超過其抗拉強度設計值。

(6)當桿件達到受彎承載能力極限前，應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破壞。

5.1 加固前后橋梁正常使用極限狀態驗算

加固前后橋梁恒載活載應力計算及對比見表1～2。

表1 加固前后橋梁恒載應力計算及對比(單位：MPa)

表2 加固前后橋梁活載應力計算及對比(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，大部分應力均符合拉應力的減小和壓應力儲備提高的變化，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化該橋受力的目的。再按照《規范》[4]進行正常使用極限狀態的應力組合，具體結果見表3。

表3 加固前后各控制截面正常使用極限狀態應力組合計算及對比(單位：MPa)

通過上表分析可知，采用粘鋼加固法后下弦桿和實腹段截面的應力值取得了較好的改善。截面的拉應力有不同程度的下降，而大部分的壓應力也有不同程度的增大，并且都在規范規定的范圍內，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驗算

加固前后各控制截面承載能力極限狀態的驗算如表4所示。

表4 加固前后各控制截面承載能力極限狀態的驗算

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，使得下弦桿與實腹段交界處及實腹段1/4、1/2截面的偏心距在加固后均通過驗算，而且還提高了正截面強度，即橋梁的承載能力得到了提高。

5.3 加固前后橋梁結構撓度的計算分析

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下撓，并適當恢復橋結構線形。

綜上所述，采用粘鋼加固法，本質上是增大截面，能夠提高下弦桿與實腹段中性軸的位置，使其截面大部分處于受壓，從而來增大截面的剛度。從靜力方面的數據分析可知，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定性分析

6.1 加固前后橋梁的自振特性分析

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

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

表6 加固前后橋梁各階自振頻率及其變化統計表

6.2 加固前后橋梁的穩定性分析

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定性。并從計算的前20階的屈曲模態分析，除前兩階為下弦拱肋面外橫向側傾失穩，其余均為腹桿局部失穩，本文限于篇幅，僅對原橋加固前后的前8階的穩定安全系數進行詳細地分析說明，具體結果見表7。

通過表7分析可知：該橋采用粘鋼加固法后的整體結構彈性屈曲安全系數，即一階穩定安全系數為10.243，符合一般拱橋的穩定安全系數4～5的要求[5-6]。從上表數據分析可知，采用粘鋼加固方案對原橋的前8階穩定安全系數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定性及整體剛度都有所改善。

表7 加固前后橋梁各階穩定安全系數及其變化統計表

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定性均起到了一定的改善作用。

7 結論

本文運用MIDAS/CIVIL軟件建模計算分析得到粘鋼加固方案下橋梁靜、動力特性及其穩定性的改善情況并與加固前作了對比，從數據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，同時對于原橋的自振特性和穩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。

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