鋼筋混凝土拱橋復合式加固理論分析

周啟坤、陳興碧

（貴州恒安檢測科技有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

鋼筋混凝土拱橋是一種重要的交通基礎設施，具有承載能力強、結構穩定等優點。然而，隨著時間的推移和外界環境的作用，鋼筋混凝土拱橋的結構性能可能會逐漸下降，出現裂縫、腐蝕、鋼筋銹蝕等損傷現象，從而影響其安全性和使用壽命。因此，對部分已建成的鋼筋混凝土拱橋進行修復和加固，成為保障橋梁安全運行的重要任務。

1 復合式加固法概述

復合式加固法是一種常用的結構修復和加固方法，通過在原有結構上添加外部材料或構件，以提高結構的承載能力和剛度。這種方法常被應用于鋼筋混凝土拱橋的加固處理中，旨在延長其使用壽命，提高結構的安全性。

復合式加固法的原理在于通過科學的方式和使用多樣化的材料，提高鋼筋混凝土結構的強度和剛度、延長結構的使用壽命、實現輕量化設計、強化界面黏結性。

1.1 提高結構的強度和剛度

通過在原結構上添加復合材料，如碳纖維布或玻璃纖維片等，以提高結構的強度和剛度。這些材料具有較高的強度和剛度特性，可以有效抵抗外部荷載引起的變形和應力集中，從而提高結構的承載力。

1.2 延長結構的使用壽命

復合材料具有良好的耐久性和抗腐蝕性能，可以有效延緩結構的疲勞損傷。通過添加加固層，可以改善結構的疲勞性能，延長結構的使用壽命。

1.3 實現輕量化設計

相較于傳統的加固方法，復合材料具有較輕的質量和較高的強度，可以減輕結構自重，不僅有助于減少結構變形和沉降，還可以降低對原結構的附加荷載，提高結構的安全性。

1.4 強化截面黏結性

復合需要與原有結構形成良好的界面黏結性。通過合理的界面處理和黏結劑選擇，可以保證加固材料與原有結構之間的黏結強度和一體性，以充分發揮復合材料的性能。

2 鋼筋混凝土拱橋復合式加固設計方法

2.1 加固材料的選擇

進行鋼筋混凝土拱橋復合式加固設計時，選擇合適的加固材料至關重要。要根據具體的工程要求和鋼筋混凝土拱橋的損傷情況，選擇合適的復合材料進行加固。

2.1.1 考慮加固材料的強度和剛度特性

常見的復合材料包括碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料和有機高分子復合材料等。這些復合材料具有較高的強度和剛度，可以有效提高鋼筋混凝土拱橋的整體強度和剛度。

2.1.2 考慮加固材料的耐久性和耐腐蝕性能

鋼筋混凝土橋梁常受到環境侵蝕，如氯離子侵入、潮濕環境和化學腐蝕等，因此要選擇具有良好耐久性和耐腐蝕性的加固材料，確保加固效果的持久性。

2.2 加固方式確定

由于不同的加固方式在加固效果上存在差異，因此對鋼筋混凝土拱橋進行加固時，需要根據拱橋的結構形式、損傷情況、加固需求及施工可行性等因素，選擇合適的加固方式，并確保加固設計符合設計規范和標準要求。常見的加固方式有包裹加固、外貼加固。

2.2.1 包裹加固

包裹加固是指在鋼筋混凝土拱橋結構的外部包裹加固層，有效提高鋼筋混凝土拱橋的抗彎和抗剪能力，改善結構的整體性能，以提升其整體強度。常用的包裹加固材料包括碳纖維布、玻璃纖維布等。

2.2.2 外貼加固

外貼加固是將加固材料粘貼在鋼筋混凝土拱橋結構的外部，能夠有效地提高鋼筋混凝土拱橋的剛度和抗彎能力，減小結構變形，提高橋梁的承載能力，常見的外貼加固材料包括碳纖維板、玻璃纖維板等。

2.3 加固層厚度確定

加固層厚度的確定需要考慮結構的受力特點、加固材料的性能和加固要求等因素。

第一，加固層厚度的確定首先需要考慮橋梁原結構的受力特點，包括荷載傳遞路徑、主要受力構件和關鍵承載部位。通過結構分析，了解橋梁在不同工況下的應力分布和變形情況，從而確定不同位置的加固層厚度，以實現合理的受力分配和結構性能提升。

第二，加固材料的力學性能對加固層厚度選擇有直接影響。例如，碳纖維增強聚合物（CFRP）和玻璃纖維增強聚合物（GFRP）等材料有不同的強度、剛度和耐久性。根據加固材料的特性，結合結構分析，可以確定不同部位的加固層厚度，以充分發揮材料性能。

綜合考慮上述因素，在實際施工中，需要根據加固要求與工程經驗、通過結構分析、試驗驗證、加固材料性能測試等方法來確定加固層的厚度。通過結構分析和計算，可以模擬不同加固層厚度下的結構響應情況；通過能夠評估不同厚度下加固層的性能。并且，需要在提升結構安全性和性能的前提下，兼顧經濟性和可行性，確保加固施工取得良好的效果。

2.4 工藝選擇

采用復合式加固模式時，需要考慮施工方案的可行性和實施的難度。根據具體情況，選擇適合的施工方法和工藝流程。在施工之前，需要對原結構表面需要進行充分的清潔，以確保加固材料與結構的良好黏結。表面處理主要包括除塵、除油、砂磨等工序，以提供一個粗糙的表面，增加黏結面積和黏結強度。此外，選用合適的黏結劑至關重要。黏結劑的性能應與加固材料相匹配，且具有良好的黏結性和耐久性。施工人員需要按照黏結劑的使用要求進行正確的施工操作，以保證加固效果。

在鋼筋混凝土拱橋復合式加固施工過程中，需要進行嚴格的質量控制，包括施工工藝的控制、材料質量的檢驗和測試，以及施工過程的監督等，以確保加固工程的質量和可靠性。此外，還要充分考慮施工安全和環境保護，應制訂施工安全措施，確保施工人員的安全，同時采取有效的環境保護措施，減少施工對環境的影響，如合理處理廢棄物，提高施工材料利用率等。

3 建立理論模型

為了評估加固方法的合理性，可以建立鋼筋混凝土拱橋有限元理論模型，比較加固前后的響應系數，從而判斷加固方法的應用效果。

3.1 橋梁幾何模型建立

根據現有橋梁修筑資料，通過橋梁的幾何尺寸、主要構件的截面形狀和布置等參數建立橋梁的幾何模型。可以使用CAD 軟件或有限元軟件中的建模工具創建幾何模型，并確保幾何模型與橋梁實際情況相符。

3.2 材料參數設置

根據現有橋梁資料中提供的材料參數、試驗數據及設計規范等，設置鋼筋混凝土的彈性模量、泊松比、強度等參數。

3.3 加載條件定義

根據現有橋梁資料中提供的交通荷載、溫度荷載等加載條件，定義加載模式和荷載大小。考慮橋梁的實際使用情況，可以設置不同的工況，如靜態荷載、動態荷載、溫度變化等。

3.4 邊界條件設置

確定模型的邊界條件，包括支座約束和應力釋放區域等，設置這些邊界條件時應考慮橋梁的實際支撐方式和約束情況。

1)熱含量(Heat Content,簡稱HC)的計算:本文綜合考慮溫躍層下界深度(吳曉芬等,2011)及資料的深度范圍,將0～400 m深度的海洋溫度平均值定義為海洋上層熱含量值。

3.5 加固方案模擬

根據加固方案資料，對加固后的橋梁進行模擬。根據不同的加固方法，可以添加外部材料或構件，并將其特性設置為相應的材料參數。

3.6 有限元分析

利用MIDAS 等有限元軟件進行模型分析。通過施加加載條件，進行靜力或動力分析，計算橋梁在各個工況下的響應情況。

通過以上分析，可以評估加固方法的合理性。如果加固后的響應系數較加固前有明顯改善，如減小位移、應力等，表明加固方法有效，反之則要考慮其他的加固方法，并重新評估。

4 橋梁加固前后理論模型對比分析

4.1 加固前后結構強度對比分析

加固前后結構強度對比分析是評估加固方法有效性的重要方面。通過有限元分析，可以對比加固前后關鍵截面或節點的應力分布情況，從而評估加固方法對結構強度的影響。在加固前的理論模型中，可能存在一些結構損傷或應力集中現象，如裂縫、應力集中區等，導致結構的強度下降和安全性風險。

通過有限元分析，可以定量評估加固前后關鍵截面或節點的應力變化。例如，對比加固前后的最大應力值，判斷加固后的應力是否明顯降低，加固前存在的應力集中區是否得到緩解等。此外，可以對比不同工況下的應力分布情況，分析加固方法在不同荷載情況下的效果。

4.2 加固前后橋跨剛度對比分析

剛度是指結構對外界荷載產生的變形抵抗能力，對橋梁的承載能力和穩定性起重要作用。在理論模型中，可以施加相同的荷載條件，比較加固前后的位移響應和剛度變化。通過有限元分析或其他分析方法，可以獲得橋梁在不同工況下的位移響應曲線，對比加固前后的位移響應曲線，可以直觀地評估加固方法對橋跨剛度的改善情況。如果加固后的位移響應明顯減小，表明加固方法能夠有效提高橋梁剛度，位移減小意味著結構在受力時的變形更小，能夠保持較好的穩定性和垂直度。

4.3 理論計算的自振特性值比較

自振特性是橋梁結構的固有動態特性，對結構的穩定性、動力響應和抗震性能有重要影響。在加固前后的理論模型中，可以通過有限元分析等方法計算橋梁的固有頻率和模態形狀。

此外，模態形狀能夠描述不同振動模式下結構的形變分布情況。加固后模態形狀發生改變，表明加固方法對結構的剛度分布和動態響應產生了影響，通過分析模態形狀變化情況，可以評估加固方法對橋梁動力特性的改善程度。

需要注意的是，自振特性值的比較應涵蓋不同振動模態，并考慮不同的荷載情況。復雜的橋梁結構可能存在多個固有頻率和模態形狀。因此，應該對比分析不同振動模態下的自振特性值，并綜合考慮加固方法對各個振動模態的影響。

此外，想要全面評估加固方法對橋梁自振特性的影響，需要綜合理論計算、實際監測和試驗驗證等方法。

在分析過程中，需要注意以下幾點：

其一，加固前后的理論模型要盡可能保持一致，包括幾何形狀、材料性質、加載條件等。

其二，分析過程應該涵蓋不同工況和荷載情況，以綜合評估加固方法的有效性。

其三，需要考慮模型的準確性和精度，包括網格劃分、材料模型等參數的選擇。

其四，應基于設計要求和結構安全性進行效果評估，比較加固前后的性能改善是否滿足實際需要。

5 結語

綜上所述，復合式加固是一項重要的工程技術，能夠提升鋼筋混凝土拱橋的結構性能和安全性。在實際施工中，需要綜合考慮結構特點、加固材料、加固方式及施工工藝等因素，同時應對該技術進行進一步的研究和實踐，以推動橋梁工程的進一步發展。