基于Ansys實體模型分析的圬工拱橋混凝土套拱加固方法研究

【摘 要】以四川省巴中市巴河大橋檢測與加固工程為背景，通過對該橋的現場檢測與靜、動載試驗，找到其存在的缺陷及損傷。根據檢測結果選擇混凝土套拱加固法對拱橋進行加固。通過Ansys實體模型對加固施工的全過程進行模擬分析，得到加固過程中拱橋原結構與加固結構的位移、受力情況和全橋的剛度提升水平。結果表面混凝土套拱加固法可以有效應用于眾多的圬工拱橋加固工程中。

【關鍵詞】圬工拱橋; 混凝土套拱加固; Ansys實體模型; 剛度提升

【中圖分類號】U445.7+2【文獻標志碼】A

圬工拱橋，尤其是石拱橋，在我國有悠久的歷史。據不完全統計，在中國的各類型橋梁中，拱橋約占61 %，特別是在山高谷深，石料豐富的四川地區，拱橋占90 %以上，以圬工拱橋數量最多。但是，該類圬工拱橋大多修建年份較久遠，在自然環境的侵蝕和日漸增長的交通荷載影響下，出現了不同程度的損傷。為了解橋梁現狀，保證結構的安全，必須通過檢測，對存在問題的橋梁采取必要的加固措施。混凝土套拱加固法作為眾多加固方法中的一種，由于其增大受力截面和套箍效應的作用使舊拱橋整體受力均勻，能達到增強整體性，提高承載力的目的，已被廣泛應用于圬工拱橋的加固中[1] 。

1 工程背景

本項目巴河大橋位于位于四川省巴中市平昌縣省道202線公路，中心樁號K247+513.42，橋梁跨徑組合為（3×10+4×50+10） m漿砌塊石無鉸石拱橋，橋梁全長290 m，橋面組合為（1.9+7.0+1.9） m;下部結構采用U型橋臺，擴大基礎;橋面鋪裝為瀝青混凝土。該橋設計汽車荷載等級為汽車-20級，設計安全等級為二級。

2 橋梁檢測結果評定

2.1 舊橋現有參數測定

根據現場檢測，巴河大橋主體結構采用圬工砌體結構，其主拱圈為M10砂漿砌MU60塊石，立墻為M10砂漿砌MU60塊石，腹拱拱圈采用M10砂漿砌MU60塊石。表1、表2分別是根據檢測結果提取的全橋主要幾何參數與圬工材料參數表。

2.2 試驗檢測結論

根據現場檢測該橋的損傷情況，并結合橋梁技術規范，該橋現總體評定為三類橋。根據靜載和動載試驗結果，該橋承載力和整體剛度滿足設計荷載等級（汽車-20級，掛車-100級）要求。建議按照JTG H11-2004《公路橋涵養護規范》的規定，對該橋進行中修，酌情進行交通管制;對拱圈滲水進行處治，建議對拱圈進行加固。對橋面鋪筑破損開裂進行修復處治，建議對橋面鋪筑進行進行挖除重建。對該橋其余病害進行處治[2] 。

3 拱橋加固處治方案

根據檢測報告計算結果，該橋主要構件存在輕微功能性病害，技術狀況評定為3類橋，需要對其進行加固處治。

3.1 橋面系

（1）按人行道位置橋面鑿除46 cm厚度的標高控制，橫橋向水平鑿除橋面，上緣40 cm厚原側墻均鑿除，重新依次鋪筑C15混凝土墊層、防水卷材、現澆C40鋼筋混凝土橋面板、防水粘結層和瀝青混凝土橋面鋪裝。橋面板及瀝青橋面鋪裝在起止點橋臺伸縮縫位置及橋跨伸縮縫位置應設置豎向通縫，并增設80型伸縮縫。

（2）原人行道及欄桿均鑿除，重新澆筑鋼筋混凝土緣石及鋪設鋼筋混凝土人行道板，欄桿均更換為鋼欄桿。

3.2 上部結構

（1）主拱圈、腹拱圈砌縫和裂縫采用高壓灌注環氧水泥砂漿進行封閉補強;對4#～7#主拱圈采用增大截面法的加固技術，拱腳部分采用鋼筋混凝土套箍加固，其余部分采用拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板加固[3]。

（2）對全橋腹拱及引拱采用增大截面法的加固技術，通過拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板進行加固。

（3）原側墻全部更換為C20混凝土側墻。

3.3 下部結構

將原橋橋墩出現的灰縫脫落采用M10水泥砂漿進行勾縫，并采用鋼筋混凝土套箍加固技術進行加固。

4 Ansys實體模型加固過程分析

4.1 實體模型建立

計算結構采用SOLID65單元模擬，此單元有8個結點，每個結點3個自由度。該單元具有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變的功能。每個單元都有2×2×2個高斯積分點，見圖2。建立Ansys實體模型見圖3。

在結構模型的基礎底面位置，約束面上所有自由度，形成固結;埋置于巖土中的墩臺面上約束結構順橋向自由度，邊界條件見圖4。

計算荷載主要有：重力、二期恒載、整體溫度荷載、汽車荷載和人群荷載。

結構重力系數取為9.8 m/s2。溫度按升溫18 ℃，降溫18 ℃考慮，結合圬工規范拱橋溫度效應考慮折減系數0.7，取升溫12.6 ℃，降溫12.6 ℃[4]。

二期恒載為欄桿和人行道板，單側每延米重量：10 kN/m。（模型中沿橋寬方向均勻滿布，均布荷載為P1=10×2/10.8=1.85 kN/m2）

車道荷載按公路-I級加載，模型中沿橋寬方向均勻滿布，不考慮折減。車道均布荷載P2=10.5×2/10.8=1.94 kN/m2。車道荷載中的集中力，主拱上每個車道集中力總和為360 kN，分為11個節點進行加載，每個節點承擔F1=360×2/11=65.45 kN。引拱上11個節點各承擔F2=200×2/11=36.36 kN。

人行道，兩側各1.7 m寬，人群荷載對結構影響較小，按滿布人群荷載考慮：3 kN/m2。（模型中沿橋寬方向均勻滿布，均布荷載為P3=3×1.7×2/10.8=0.94 kN/m2）。

通過Midas計算得到的汽車荷載影響線布置活載，分三種情況布置。

（1）活載按對主拱拱頂截面最不利情況，按影響線布載見圖5。

（2）活載按對主拱1/4截面最不利情況，按影響線布載見圖6。

（3）活載按對主拱拱腳截面最不利情況，按影響線布載見圖7。

4.2 加固施工階段

本計算準確應用應力疊加原理模擬原橋成橋和加固過程，包括施工過程和成橋后使用階段：

（1）裸拱自重。

（2）立墻、腹拱圈加載。

（3）填料加載。

（4）橋面加載（原橋成橋）。

（5）主墩加固并去除橋面。

（6）主拱加固。

（7）腹拱加固。

（8）橋面加載（加固完成）。

（9）加固混凝土收縮（按降溫20 ℃考慮，據圬工規范折減為45 %，取降溫9 ℃）

（10）整體溫度變化（升溫/降溫）

（11）車道及人群荷載（分別對3個主拱控制截面最不利影響考慮。）

整個加固施工過程采用非線性單元生死技術計算。在計算過程中，如果要在模型中加入（或刪除）材料，模型中相應的單元就“存在”（或消亡）。要激活“單元死”的效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導，或其他分析特性）矩陣乘以一個很小的因子[ESTIF] ，因子缺省值為1.0×10-6，死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效[5] 。

4.3 加固分析結果

4.3.1 應力分析

（1）主應力分析

圖8～圖11為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主拉應力云圖和跡線圖，從圖中可以看出，立柱與主拱圈結合處由于應力集中，應力水平較大，其余部位主拉應力水平均較小。

圖12～圖15為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主壓應力云圖和跡線圖。最不利荷載作用下，主拱圈拱頂主壓應力小于-1.11 MPa，拱腳主壓應力小于-2.37 MPa;均小于其抗壓強度標準值。

表3、表4為各階段主拱圈與腹拱圈主應力表（表中主應力僅作為參考，包括應力集中值），從表中可以看出加固后主拱圈主拉應力最大值與加固前基本相同，均為0.1 MPa。但是混凝土收縮對主拱圈主拉應力有較大影響。

對比表3、表4可見，整體降溫對主拱圈受力不利，主拱圈最大拉應力增大約0.32 MPa，而對腹拱受力有利，主拉應力減少約0.15 MPa。

整體升溫對主拱圈受力有利，主拱圈最大拉應力減小約0.32 MPa，而對腹拱受力不利，主拉應力增大約0.16 MPa。

（2）正應力分析

下面提出拱頂、拱腳、1/4主拱截面的各階段正應力值，對比原結構與加固結構的受力情況（以加固完成階段為例）見圖16～圖19。

按此步驟依次分析各階段拱橋控制截面原結構與加固結構的正應力，得到表5、表6。

由表5、表6可知，加固后原橋主拱圈在后續工況下仍全截面受壓。而鋼筋混凝土加固結構在收縮、降溫及車道荷載作用下會產生拉應力，經計算其最大裂縫為0.09 mm，滿足規范0.2 mm的要求。

4.3.2 位移分析

表7、表8為模型（降溫/升溫）工況下主拱圈最大豎向位移。可以看出：實體模型在原橋恒載作用下，主拱圈最大豎向位移為14.2 mm，加固后主拱圈最大豎向位移為13.4 mm，部分卸載情況下加固主拱圈，主拱位移有較小的上撓值。

總體來看，實體模型的豎向位移值為：降溫最不利荷載作用下，最大位移26.3 mm;升溫最不利荷載作用下，最大位移17.4 mm。

4.3.3 模態分析

對原橋和加固后全橋進行模態分析，主要提取其一階豎向自振頻率進行比較，分析其剛度變化（圖20、圖21）。

可見原橋一階豎向自振頻率為1.051 Hz，加固后全橋一階豎向自振頻率為1.521 Hz。加固對拱橋的剛度提高效果很明顯。

5 結論

加固后，原主拱圈在所有荷載工況下，拱頂、拱腳和1/4截面均未出現拉應力，且壓應力小于4.22 MPa，在允許范圍內。主拱混凝土加固部分最大裂縫寬度小于0.2 mm，在允許范圍內。車道荷載對原結構影響相對減小，大部分被加固結構承擔，表明混凝土套拱加固對巴河大橋承載力提升有利。

加固混凝土的收縮與整體升溫、降溫工況對全橋影響較大：混凝土收縮導致加固結構本身產生較大拉應力，對原砌體結構略有不利影響;降溫工況對加固結構不利，對原砌體結構也較為不利;升溫工況對加固結構有利，對原砌體結構影響不大。

由模態分析結果可以得出，加固后全橋豎向一階自振頻率較加固前有明顯提高，表明結構豎向剛度增加，套拱加固對結構剛度提升效果明顯。

參考文獻

[1]周建庭，劉思孟，李躍軍. 石拱橋加固改造技術[M].北京：人民交通出版社.2008.

[2]JTG H11-2004 公路橋涵養護規范[S].

[3]JTG /T J22-2008 公路橋梁加固設計規范[S].

[4]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設計規范[S].

[5]王新敏. ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.

[定稿日期]2021-01-13

[作者簡介]曾仲（1989～），男，碩士，工程師，從事橋梁設計及橋梁結構方向研究。