兩種方法加固雙曲拱橋動力特性對比研究

秦陽 蔣國富

摘要：文章以某舊雙曲拱橋為工程背景，對該橋提出了兩種加固方案，即錨噴混凝土法及變肋拱為箱拱加固法。借助ANSYS軟件對該雙曲拱橋結構受損前、受損后及兩種方法加固后的情況進行了模擬分析，對比研究了兩種加固方案加固后的結構動力特性。研究結果表明：（1）雙曲拱橋的病害導致結構的整體剛度明顯降低，這類橋型面外比面內剛度要弱;（2）錨噴加固法可以提高橋梁的整體剛度，但結構抗扭剛度并沒有得到改善;（3）變肋為箱法明顯提高橋梁剛度，其自振模態較新舊橋梁及錨噴加固橋梁的模態有了明顯的變化，自振頻率得到了提高，不僅加強了橋梁的抗扭剛度，同時大大改善了結構的面外剛度。

關鍵詞：雙曲拱橋;加固;ANSYS;動力特性分析

0 引言

橋梁結構的動力特性非常重要，其一般包括了振型、自振頻率等，能夠反映橋梁的剛度情況。動力特性受到橋梁結構質量分布、邊界條件和組成的體系等因素影響，分析橋梁加固前后的動力特性對于評估加固效果十分關鍵。

目前對雙曲拱橋這類橋梁的動力特性研究主要有：施洲等[1]對雙曲拱橋的自振特性進行了測試和分析，通過分析結果對加固提出了建議;劉冬等[2]研究了雙曲拱橋拓寬后的動力特性，為減震加固和拓寬既有雙曲拱橋的設計提供依據;張茜等[3]研究了拱腳開裂對雙曲拱橋動力特性的影響。現有研究缺乏對不同加固方法加固雙曲拱橋的橫向對比。

為此，本文通過研究雙曲拱橋加固前后四種狀態的固有頻率、振型，以得出加固方法的差異對結構動力特性的影響規律。

1 結構自振特性計算理論

由于該雙曲拱橋的原有設計荷載偏低，在外部環境、日益增長的交通量和車輛超載等不利因素作用下，該橋存在嚴重病害，嚴重影響服役安全，需對其進行加固。根據結構特點，提出了兩種加固方法：錨噴混凝土法和變拱肋為箱拱法。

按照橋梁的四種不同狀態（新橋狀態，舊橋狀態，兩種方法加固后的狀態），采用ANSYS軟件建立有限元模型進行結構動力特性分析。建立模型時偏保守考慮結構的安全儲備，不考慮拱上建筑，只建立裸拱模型。拱上立柱采用集中荷載的形式施加，拱腔填料及橋面系按線性荷載施加，并將以上兩種荷載形式轉換成相應的質量單元施加在結構的相應位置，以保證結構質量分布的準確性。計算中采用梁單元模擬整個結構，全橋共分為345個節點，330個單元。邊界約束條件為：橋墩及拱腳處均采用固結。橋梁加固后結構的截面形式發生了變化，拱上建筑重量基本保持不變，僅將其作為等代荷載作用在橋梁相應部位，填料、橋面系也以曲線荷載的形式作用在結構上。有限元模型如圖2所示。

3.1 模態振形分析

通過計算前六階模態振型，比較結構不同狀態下各階自振模態，可知新舊橋梁模型前六階失穩模態振形基本一致，前三階振形均表現為橫向彎扭振動，后三階表現為豎彎振動。分析其振形特點得出：由于雙曲拱橋抗扭剛度的不足，第一階振形就發生了扭轉振動，且前幾階振形均以橫向振動為主，直到第四階才發生豎向振動，表明雙曲拱橋的面外剛度弱于面內剛度。

由于結構形式及截面形式基本相同，采用錨噴加固橋梁與新舊橋梁振形基本相同，只是在第三階就出現豎向振動，表明加固后橋梁的面外剛度得到了一定的加強，但結構抗扭剛度并沒有得到改善。采用變肋為箱加固后的橋梁自振模態較上述模態有了明顯的變化，一、二階振形表現為豎彎振動，第三階才發生橫向彎曲振動，且前六階模態均未發生彎扭耦合振形，表明箱式截面構造不僅加強了橋梁的抗扭剛度，同時大大改善了結構的面外剛度。

3.2 振動頻率及振形描述

由表1～4及圖3可知，對比結構不同狀態下各階振動頻率，由于橋梁的后期近30年的運營使結構產生了一定程度的病害，導致橋梁的整體剛度減弱。從分析結果可以看出，橋梁一階振動頻率由新橋的1.242 7 Hz降低到舊橋的1.039 7 Hz，結構剛度明顯降低。

通過維修加固，橋梁的整體剛度得到了提高，加固后的橋梁一階振動頻率分別達到了1.734 9 Hz和1.802 2 Hz。在結構自重保持一定的情況下，結構整體剛度得到了改善。比較兩種加固方法對橋梁自振特性的影響，變肋為箱加固法較錨噴加固法結構的自振頻率明顯偏大，且隨著自振階次的增加，自振頻率相差越大。這主要由于箱梁截面剛度大于多片拱肋組合截面剛度，使得全橋剛度得到了加強。

4 結語

本文采用ANSYS軟件建立雙曲拱橋動力計算模型，對加固前后不同狀態的橋梁進行動力計算分析，通過對該橋加固前后的固有頻率、振型進行分析，以得出雙曲拱橋這類橋型的自振特性和不同的加固方法對結構動力特性的影響規律，得到如下結論：

（1）雙曲拱橋的病害降低了結構的整體剛度，前期振形均以橫向彎扭振動為主，表明雙曲拱橋的面外剛度比面內剛度要弱。

（2）錨噴加固法可以提高橋梁的整體剛度，但結構抗扭剛度并沒有得到改善。

（3）變肋為箱法明顯提高了橋梁剛度，自振模態較新舊橋梁及錨噴加固橋梁的模態有了明顯的變化，自振頻率得到了提高，不僅加強了橋梁的抗扭剛度，同時大大改善了結構的面外剛度。

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