基于有限元分析的剛架拱橋加固方法和加固效果評估研究

郎丹妮

（哈爾濱市市政工程設計院，黑龍江 哈爾濱 150070）

基于有限元分析的剛架拱橋加固方法和加固效果評估研究

郎丹妮

（哈爾濱市市政工程設計院，黑龍江 哈爾濱 150070）

結合實際工程特點，針對不同病害，選擇了相應的加固措施；借助Mdias Civil軟件平臺，建立依托工程有限元分析模型，對剛架拱橋進行理論加固計算；通過動靜載試驗，對加固前后的撓度、應變、承載能力等方面參數進行對比分析。結果表明，加固方案合理可行，加固效果良好。

剛架拱橋；加固措施；有限元分析；效果評估

0 引言

剛架拱橋是我國工程建設行業針對不同地形條件逐漸發展起來的一種橋型。它綜合了不同類型拱橋（如雙曲拱橋、桁架拱橋）結構特點。自從剛架拱橋結構被發明以來，因其獨特的外形、結構，輕巧的形態，以及施工用料省、可利用的方法多等優點，使得其在我國公路、市政等工程建設中被廣泛使用。我國橋梁建設由于不同時期建設理念的不同，采用的技術標準有所不同，導致早期建設的橋梁難以滿足現有條件下的交通需求。出于開放交通和節約資源的考慮，大部分均采用不同的方式進行加固處理[1,2]。在我國公路建設事業新形勢和新環境下，針對特定的橋梁工程采用多種手段合理評估舊橋安全狀態，結合交通出行和管理等多方面因素考慮，提出合理的維修加固方案，對提高在役橋梁使用性能、方便居民出行、節約資源具有重要的現實意義[3，4]。

1 工程概況

哈爾濱市群力新區康安路路橋工程西起跨躍進路橋引道前200 m處（0+600），東至城市二環路（前進路與康安路交叉口），全長1 617 m。該工程東連道里區，西通群力新區，中間包含何家溝上跨橋。何家溝上跨橋為一孔50 m剛架拱橋，路線交角為90°，橋梁全長52.82 m。橋梁設計荷載為城市A級；人群：3.5 kN/m2。橋面橫向布置：5.0 m人行道+15.50 m行車道+0.6 m中央分隔帶+15.50 m行車道+5.0 m人行道=41.60 m。

上部結構包括：跨徑為50 m的剛架拱，矢高6.25 m，矢跨比1/8。上部拱片及微彎板采用預制拼裝，全橋共由13道拱片組成，每道拱片由實腹段、內弦桿、外弦桿、斜撐、主拱腿構件組成，實腹段及內外弦桿間對稱布設16道橫系梁，主拱腿間設2道橫系梁。

下部結構包括：鋼筋混凝土輕型橋臺，鉆孔灌注樁基礎。

2 主要病害及成因分析

2.1 主要病害

（1）上部結構

拱片實腹端跨中拼接處開裂，鋼板銹蝕，跨中存在豎向裂縫，間距不等，數量較多。弦桿存在裂縫，部分呈U型。次拱腿存在橫向裂縫，次拱腿與外弦桿現澆混凝土接頭處上部混凝土存在輕微碎裂現象，混凝土疏松剝落，該情況以0#臺側較為明顯。微彎板局部破損露筋，并存在橫、縱向裂縫，微彎板小橫梁存在裂縫。橫系梁存在豎向裂縫，并且與拱片連接處存在錯位、下沉及開裂現象。

（2）下部結構

臺帽破損、露筋、滲水，局部橫向開裂，兩側橋臺臺身存在明顯豎向裂縫。0#臺臺身共有15條豎向裂縫，其中10條裂縫為豎向貫通裂縫，其余裂縫從下往上發展，最長的裂縫2.1 m，裂縫寬度0.16～1.2 mm，裂縫深度10～17.7 cm。1#臺臺身共有13條豎向裂縫，其中4條裂縫為豎向貫通裂縫，其余裂縫從下往上發展，裂縫寬度0.06～0.6 mm，裂縫深度9～16 cm。

（3）橋面鋪裝

橋面瀝青混凝土鋪裝層磨損較為嚴重，表面局部露骨，并且存在橫縱向開裂，主要集中在中央分隔帶兩側5 m范圍內，縱向開裂6條，長1.6～49.4 m，橫向開裂6條，長2.9～8.5 m。

2.2 病害原因分析

一般情況下，剛架拱橋的理論設計是以恒載作用下構件內力彎矩最小為基本原則，由于結構輕盈、截面尺寸相對較小，構件對上部荷載增加或者動荷載較為敏感。在通車初期，由于該橋所處位置周邊路網連接度不良，此橋作為連接群力新區和老城區的唯一主干道，不同類型的貨運載重汽車（如土方作業車輛、大型貨物運輸車輛、拖掛車等）頻繁通行，使得實際荷載和交通量大大超過原設計交通量和荷載標準，致使橋梁不堪負重，局部位置出現裂縫。

拱片間通過橫系梁連接成為整體，但橫系梁截面尺寸較小，致使全橋橫向整體性欠佳，在長期使用后，一旦橫系梁自身在荷載作用下出現不同程度裂縫，會進一步削弱構件之間的橫向連接，使得上部荷載的橫向分布受到不良影響，容易造成單一拱片獨自受力或者僅有幾個拱片受力，這只會加劇拱橋病害的進一步發展[5]。

3 加固方案及加固效果分析

3.1 加固方案

根據依托工程剛架拱橋實際病害狀況，結合工程項目經濟、環保、施工可行性等多方面因素，經專家論證，推薦采用粘貼鋼板加固法進行病害處理。依托工程加固示意如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固示意圖（單位：cm）

（1）拱片：對拱片跨中實腹段以拱頂為中心兩側曲線長度6.25 m范圍內采用U型鋼板外包，鋼板厚度10 mm，U型外包結束點至大節點外包U型鋼板條，鋼板條厚度6 mm，鋼板條設置壓條，壓條厚度6 mm，壓條底面設置鋼板墊片。其中橫系梁位置U型鋼板條厚度為10 mm。對拱片內、外弦桿底緣粘貼8 mm的鋼板條，對內、外弦桿側面粘貼厚度為10 mm的鋼板。對大小節點采用厚度10 mm的異形鋼板外包。主拱腿1.5 m長度范圍內外包鋼板焊接，鋼板厚度6 mm。對拱片縫寬≥0.15 mm的裂縫，借助化學原理，利用灌注膠進行裂縫的化學灌漿補強處理；對拱片縫寬＜0.15 mm的裂縫，進行表面封閉處理。拱片局部破損區域采用改性環氧樹脂砂漿修補。

（2）橫系梁：對橫系梁外包U型鋼板，并與拱片側面和底緣外包鋼板焊接。橫系梁加固前應先對原橫系梁接頭處混凝土進行檢查，原設計為預制拼裝構件，橫系梁預埋件與拱片預埋件焊接，并現澆混凝土。對不滿足設計要求的橫系梁接頭處混凝土進行鑿除，對預埋件進行除銹并補焊，然后澆筑超早強微膨脹C40混凝土，橫系梁接頭處理完畢后方可外包鋼板加固。對橫系梁縫寬≥0.15 mm的裂縫，采用優質的灌注膠進行裂縫的化學灌漿補強；對橫系梁縫寬＜0.15 mm的裂縫，進行表面封閉。

（3）微彎板：將微彎板局部破損處混凝土鑿除，對外漏鋼筋進行除銹阻銹，然后采用改性環氧樹脂砂漿修補。對微彎板及微彎板小橫梁裂縫進行封閉處理。對橫系梁縫寬≥0.15 mm的裂縫，采用優質的灌注膠進行裂縫的化學灌漿補強；對橫系梁縫寬＜0.15 mm的裂縫，進行表面封閉。

3.2 加固效果評估

對該工程采用Midas Civil空間有限元分析軟件進行建模，加固橋梁采用鋼板與混凝土雙單元共節點處理，在建模時做如下模擬：拱肋、主拱腿、次拱腿、橫系梁采用空間梁單元模擬，橋面采用梁格法模擬通過彈性連接中的剛性連接與主梁連接，主梁與主拱圈剛性連接。全橋模型共計2 822個節點，4 261個單元[6]。同時，為了評估加固效果的好壞，結合動靜載試驗效果對比分析加固前后橋梁性能的變化，具體如圖2所示。加固效果評估靜載試驗工況設置見表1。

表1 加固靜載試驗工況設置表

3.3 加固前后撓度變形分析

在工況1試驗荷載作用下，控制截面撓度加固前后實測值和理論值見表2和表3。

表2 工況1作用下加固前滿載時撓度橫向分布

表3 工況1作用下加固后滿載時撓度橫向分布

由實驗和數值模擬理論分析對比結果可以看出，在工況1荷載作用下，滿載時實測撓度橫向分布和理論計算撓度橫向分布趨勢基本一致，實測值與理論值存在差異，且實測拱片跨中撓度均小于理論計算的撓度值。加固后橋梁的整體剛度大幅提高，測試斷面撓度有所減小，達到了加固的要求。

3.4 加固前后應變分析

在工況2荷載作用下，橋梁加固后控制斷面應變實測值、理論計算值、校驗系數相關參數結果見表 4、表 5。

表4 加固前工況2作用下控制截面應力表

表5 加固后工況2作用下控制截面應力表

由結果可見：加固前，在工況2荷載作用下，從數值大小可以看出，控制截面強度能夠滿足城市-A級汽車荷載的使用要求，但是強度儲備較低；加固后，在工況2荷載作用下，從數值大小可以看出，截面強度能夠滿足城市-A級汽車荷載的使用要求，同時由于粘貼鋼板的作用，結構出現了應力重分布現象，鋼板承受了一定的應力，混凝土應力減小，有效地降低了結構的應力水平，提高了結構的強度儲備。

由以上撓度與應力觀測結果分析可以得出：加固后橋梁結構彈性工作狀態良好；實測跨中斷面豎向撓度曲線較為平緩，基本與理論曲線一致，說明加固后橋梁的橫向聯結和荷載橫向傳遞良好；加固后橋梁的強度和剛度滿足試驗荷載需求。

3.5 加固前后動力性能分析

橋梁加固前后結構固有頻率實測值、理論計算值見表6、表7。

表6 加固前豎向振動頻率

加固前，結構阻尼通過收集動載試驗過程的速度、加速度、時域曲線等相關信息，得出該橋梁的阻尼比為12.5%，略大于常規值（1%～10%之間），一定程度上說明了結構存在開裂現象。通過測試采集得到加固前后橋梁的一階豎向自振頻率，加固后數值較加固前增大，表明加固后橋梁較加固前整體振動特性良好，橋梁豎向剛度滿足設計需求。

3.6 加固后剛架拱橋承載力的分析

結構按照加固維修施工圖設計加固措施，選取最不利一片梁采用橋梁博士有限元軟件對加固后橋梁結構進行驗算。將拱片底緣粘貼鋼板面積折減85%后換算為鋼筋面積，輸入截面底緣，保護層厚度考慮5 mm。

該橋在使用過程中，將受到系統溫度、移動荷載等多重作用。上述各項作用引起的梁體承載能力極限狀態荷載組合后，構件的抗力與效應值如圖3、圖4所示。經對比，抗力大于效應值，滿足要求。

圖3 最大抗力及對應效應值比較（單位：kN·m）

圖4 最小抗力及彎矩效應值比較（單位：kN·m）

由圖3、圖4可知：承載能力極限狀態下，剛片拱各個截面均滿足承載能力要求，結構安全可靠。

3.7 加固后截面抗裂與抗剪驗算

由圖5、圖6可知，短期效應組合下，各截面下緣裂縫均小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2014）第6.4.2條中的規定：鋼筋混凝土構件，其計算的最大裂縫寬度不應超過0.2 mm。

圖5 上緣裂縫（單位：mm）

圖6 下緣裂縫（單位：mm）

拱片弦桿及實腹段跨中范圍側面粘貼鋼板，厚度10 mm，實腹段部分區域粘貼U型鋼板條，厚度6 mm，抗剪計算按鋼板條考慮，鋼板條寬度20 cm，厚度6 mm，最大間距55 cm，根據面積折減85%后折算鋼筋為直徑36 mm。因兩側均粘貼鋼板，箍筋考慮為雙肢。抗剪強度驗算結果見表8，X表示橋梁軸線縱向距離。

由表8可知，正常使用極限狀態下，剛架拱各個截面抗剪均滿足要求。

4 結論

剛架拱橋加固方法有多種，在實際選擇加固措施過程中應結合工期、造價、環境等多重因素綜合考慮。針對工程所采用的加固措施，根據加固前后的靜動載試驗，采用Midas Civil進行空間有限元分析，對比了原橋在加固前后的靜動載試驗作用下的力學性能；對加固后剛架拱橋承載力和截面抗裂與抗剪驗算進行分析，表明加固后橋梁滿足規范及受力要求；體現了橋梁加固后結構受力達到預期的效果。加固計算理論分析和實驗結合能夠更好地評估加固方案的優劣，對其他類似工程的加固具有一定參考意義。

表8 抗剪強度驗算

[1]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[2]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[3]聶建國，趙潔.鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土簡支梁實驗研究[J].建筑結構學報，2008,29（5）：50-56.

[4]王春生,高珊,任騰先，等．鋼板－混凝土組合加固帶損傷鋼筋混凝土T梁的抗彎性能試驗[J].建筑科學與工程學報，2010，27(3):94-101．

[5]郭小平.剛架拱橋的評定檢測及計算分析[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[6]張保材.既有剛架混凝土拱橋的安全性評估與加固措施研究[J].蘭州交通大學學報，2006(8)：14-17.

U445.7+2

B

1009-7716（2017）10-0061-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.018

2017-04-26

郎丹妮（1986-），女，滿族，吉林琿春人，工程師，工程碩士，從事道路與橋梁結構設計工作。