增大截面法在拱橋加固中的應(yīng)用

趙銘偉

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

近20年，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，國民經(jīng)濟增長迅速，交通流量呈直線增長，車輛集度及車輛承重增幅明顯，為原有交通基建設(shè)施帶來較大壓力，橋梁受損成為一個嚴重問題。近10年的橋梁項目表明，新建工程數(shù)量呈遞減趨勢，對現(xiàn)役橋梁養(yǎng)護和加固成為主流，節(jié)省成本、對交通影響較小，加固已建橋梁較新建橋梁而言優(yōu)勢明顯[1]。除病害原因外，部分拱橋按原技術(shù)標準進行修建，標準偏低，已無法承擔(dān)現(xiàn)在的交通壓力，故需采取加固措施改造原橋。拱橋類型具有多樣性，橋梁病害多種多樣，其受害程度、受害部位、形成原因、對結(jié)構(gòu)的影響等不同，導(dǎo)致加固方案的不同，選取加固方法時應(yīng)靈活處理[2]。常用現(xiàn)役拱橋的加固方法主要有增大截面法、粘貼加固法、調(diào)整主拱圈內(nèi)力加固法、改動結(jié)構(gòu)體系加固方法等。本文根據(jù)公路橋梁技術(shù)狀況評定標準（JTG/T H21—2011）[3]，公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范（JTG/H11—2004）[4]，以及公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范（JTG/T J22—2008）[5]，對某實橋進行加固，采用增大截面法，基于有限元仿真計算分析，確保加固方案的合理性，相信對今后現(xiàn)役拱橋的加固具備一定的參考價值。

1 增大截面法

1.1 基本假設(shè)

增大截面法的使用前提有如下假設(shè)[6]：

a）假設(shè)加固層與原橋結(jié)構(gòu)之間具有良好的黏結(jié)性，可靠度高，可保證在應(yīng)力未達到峰值情況下，加固層和舊結(jié)構(gòu)可共同工作。

b）加固后，平截面假設(shè)仍然滿足。

c）受壓作用時僅考慮混凝土承受壓力，忽略鋼筋受壓，將其作為加固后結(jié)構(gòu)的安全儲備。

1.2 計算

根據(jù)工程概況，該實橋主拱圈為等截面拱，因此拱圈加固厚度d的確定如式（1）：

式中：m為矢跨比系數(shù)；k為負載因子；L0為跨徑。根據(jù)公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范（JTG/T J22—2008）[5]，截面圖如圖1所示，進行加固后主拱圈承載能力計算，其加固后正截面承載力如式（2）：

圖1 抗彎承載力計算簡圖

圖 1 中，F(xiàn)1=fsd1A's1、F2=fsd1As1、F3=σs2As2、M=γ0Md.

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某舊橋工程概況如下：該拱橋主拱凈跨徑為120 m，主拱圈為單箱多室，如圖2所示。拱軸線線型為懸鏈線，拱軸系數(shù)m為1.390 8，凈矢跨比為1/6。在橋梁兩側(cè)分別設(shè)置引橋，引橋采用跨徑為20 m的簡支T梁，梁高為1.3 m，一共設(shè)置7跨。橋梁總長270 m，拱上建筑采用空腹式簡支空心板，空心板跨徑為10 m，梁高0.8 m，橋梁寬度為2.5 m人行道（包括護欄）+4.25 m（車行道）+4.25 m（車行道）+2.5 m人行道（包括護欄），橋梁縱向設(shè)置1.0%的縱坡，橫向設(shè)置2%的雙向橫坡。該橋采用纜索吊裝施工，于1973年建成，工程總體概況如圖3所示，本文主要考慮拱橋部分的加固處理。初始設(shè)計汽車荷載定為汽-15級，掛車-80級。2014年經(jīng)檢測評估，最終將該橋評為四類危橋。據(jù)檢測報告，列出其主要病害:主拱圈拱腳位置至1/4跨徑段出現(xiàn)裂縫，裂縫形成導(dǎo)致鋼筋銹蝕嚴重；拱上建筑裂縫數(shù)量眾多；橋面鋪裝磨損嚴重；橋面欄桿出現(xiàn)撞壞缺失問題。

圖2 主拱圈截面示意圖（單位：cm）

圖3 工程總體概況圖（單位：cm）

2.2 加固方案

根據(jù)加固相關(guān)要求，擬定加固后荷載為公路-Ⅱ級。按該要求計算，舊橋橫梁、拱上立柱、縱梁等拱上建筑以及主要受力部位主拱圈均無法滿足現(xiàn)有要求，其承載力與要求差距甚遠。故加固需首先拆除原橋拱上建筑，再采用增大截面法對主拱圈進行下緣加固，加固主拱圈時先對銹蝕鋼筋進行處理。主拱圈加固完成后，進行拱上建筑的修建，即完成加固項目。

為保證施工質(zhì)量，應(yīng)嚴格執(zhí)行下列施工步驟，以加強施工質(zhì)量：

a）搭建支架，完成后進行拱上建筑的拆除，拆除完畢，將主拱圈清理干凈。

b）布置腳手架，鑿毛主拱圈拱腹及兩側(cè)表層，完成后進行表面清潔。

c）待表面干燥后，布置綁扎加固層鋼筋，并利用模板將鋼筋網(wǎng)焊接固定。

d）澆筑牛腿鋼筋混凝土，達到一定強度后，再采用整體澆筑的方法進行拱腹混凝土加固層的澆筑，其操作流程：拱腳→拱圈1/4截面的對稱澆筑方式。

e）根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范嚴格施工，確保混凝土養(yǎng)護質(zhì)量，避免混凝土在拆模后出現(xiàn)蜂窩麻面、空洞、孔洞等現(xiàn)象。主拱施工完成后，再澆筑立柱等，最后橋面鋪裝，護欄安裝，完成項目建設(shè)。加固完成后工程概況如圖4所示。

圖4 加固后工程總體概況圖（單位：cm）

2.3 有限元分析

為確保加固方案的可行性，通過Midas Civil 2012軟件對加固后橋梁進行模擬并做受力評估，確保其可行性。拱橋建模過程中，為避免全橋模型建立時的復(fù)雜性，首先將梁格法在鉸接板中的運用進行說明，然后再建立全橋模型。取橋面板中的一跨進行分析，按照簡支鉸接板建模，由于篇幅原因，其建模過程和建模要點在本文中不詳述。模型材料參數(shù)取值依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》[2]中相關(guān)規(guī)定。

主拱圈的計算跨徑為121.2 m，在excel表格中根據(jù)拱軸系數(shù)m值得到拱軸線一系列的坐標值，取這些坐標為沿x方向每增加1，所對應(yīng)的y值。整個拱圈有123個坐標值，將這些坐標值導(dǎo)入AutoCAD繪出拱軸線。然后將拱軸線從AutoCAD導(dǎo)入Midas Civil 2012。此時拱圈劃分的單元為：兩邊拱腳各劃分一個拱軸線長度為0.733 34 m的單元，其余按照拱軸線沿x方向每增加1，其對應(yīng)的長度進行劃分，但在拱上立柱與主拱圈連接的地方需有節(jié)點，但由于上述方法劃分單元時恰好拱上立柱與主拱圈連接的地方所需節(jié)點與上述部分節(jié)點重合。因此主拱圈共計劃分為122個梁單元，整個拱橋一共劃分為303個單元。最后的有限元模型如圖5所示。

圖5 拱橋有限元模型圖

2.4 結(jié)果分析

將加固前計算結(jié)果與加固后計算結(jié)果進行對比分析，其截面強度對比以及橋梁整體“強度-穩(wěn)定”對比分析見表1、表2。表1為主拱圈在公路-Ⅱ級荷載作用、最不利工況下，加固前、后最不利截面（拱腳、L/4 、3L/8、拱頂[6]，因結(jié)構(gòu)對稱性，故考慮 4 個截面即可）的內(nèi)力以及承載力計算結(jié)果。表3為加固前、后跨中撓度對比。

表1 舊橋加固前、后最不利截面強度驗算

表2 舊橋加固前、后整體“強度-穩(wěn)定”驗算

表3 加固前、后跨中最大撓度

基于增大截面法對拱橋進行主拱圈加固，截面的增大，拱橋恒載也相應(yīng)有所增加，因此加固后拱橋的軸力設(shè)計值較加固前應(yīng)有所增加，由表1、表2得，軸力增幅均在30%以上。另一方面，主拱圈截面的增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力也會相應(yīng)增加，最終加固后結(jié)構(gòu)的軸力不會超過抗力，滿足承載要求；由表1還可以看出結(jié)構(gòu)拱腳處抗力嚴重不足，完全無法承擔(dān)交通壓力，加固后增幅極其明顯。整體而言，采用增大截面法加固前、后，在最不利荷載工況下，拱腳、L/4、3L/8、拱頂4個最不利截面的軸力提高的同時，主拱圈的抗力同樣有較大增幅，加固后值有顯著增加，表明承載能力得到明顯改善，并且提高了橋梁結(jié)構(gòu)主拱圈的安全儲備；從整體“強度-穩(wěn)定”性方面進行評估，如表2所示，同樣得到較大改善，并且加固后值有較明顯增幅，其承載能力儲備也有所提高。綜上所述，從受力性能進行評估加固后主拱圈的承載能力，結(jié)果表明加固有效。

從剛度對加固后主拱圈進行評估，由表3可得，通過加固前后跨中最大撓度進行對比評估分析，加固后主拱圈跨中最大撓度有明顯改善，加固后最大撓度降低21.2%，主拱圈的剛度得到顯著提高。

通過強度、剛度、穩(wěn)定性三方面分別對采用增大截面法加固后拱橋主拱圈的性能進行評估，結(jié)果表明其承載力增幅明顯，能有效提高橋梁結(jié)構(gòu)整體承載力。

3 結(jié)論

本文采用增大截面法進行拱橋加固效果明顯。加固后，主拱圈受力情況得到調(diào)整優(yōu)化，其強度、剛度、穩(wěn)定性得到大幅度提高，主拱圈跨中最大撓度得到明顯改善。從前期的加固設(shè)計到施工整個過程中可以看到，增大截面法對拱橋的加固效果極其顯著，施工簡單，工期短，所以工程造價較低，是一種值得推廣的拱橋加固技術(shù)手段，希望本文對今后服役拱橋的加固具有一定的參考價值。