雙曲拱橋加固及靜動載檢測數值模擬研究

王大剛

（中國電子工程設計院,北京100142）

雙曲拱橋加固及靜動載檢測數值模擬研究

王大剛

（中國電子工程設計院,北京100142）

針對雙曲拱橋損壞現狀，提出主拱圈加固采用錨噴技術，并將拱型結構變成箱型結構的加固方案，采用有限元分析方法對加固后雙曲拱橋進行了動靜力響應分析，并進行靜動載試驗，將計算結果和現場試驗數據進行對比分析。結果表明,靜荷載為40t、35t、30t條件下，相關撓度為46%～65.3%、28%～62.4%、52.8%～61.7%；行車速度為22km/h、26km/h和32km/h，相應沖擊系數為1.084、1.165和1.181；分析撓度和應變校驗系數分布規律可知，本次加固后橋梁整體穩定性和剛度較好，安全度較高；評定加固后的橋梁承載性能，為雙曲拱橋維修加固提供了可靠參考。

雙曲拱橋；加固；靜動載；數值模擬

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.029

1 引言

雙曲拱橋是我國自行設計建造的一種橋型，已有數十年歷史，由于其具有較好的受力性能和承載能力，因此在中小橋中得到廣泛采用。雙曲拱橋的主要組成部分包括拱波、拱板、拱肋和橫向隔板等，由于雙曲拱橋具有化整為零的施工特點，因此不需大型施工設備。雙曲拱橋具有結構簡單、節省建筑材料和具有較大橋下凈空等特點，但由于設計建造時間較早，因此存在較多問題，如結構安全系數較低、抗震性能較低和抗疲勞破壞能力較差等，因此在當前繁重交通荷載作用下，出現了不同程度的病害，其中一部分病害較為嚴重，部分喪失或全部喪失繼續承載能力，因此不得不對其進行加固處理。

雙曲拱橋的病害主要有上部結構病害和下部結構病害。上部結構病害主要包括：（1）由于建造時期用鋼量不足，導致橋梁結構延性較差，造成拱波的縱向開裂；（2）雙曲拱橋橫隔板厚度和剛度不足，造成橋梁整體穩定性較差，產生較大的應力集中，從而引起拱波裂縫。下部結構病害主要包括：（1）建造時期混凝土強度不足，在長期處于外界條件下發生碳化反應，造成橋梁耐久性不足，以至于鋼筋銹蝕，拱腳處裂縫較多；（2）建造時期，由于施工能力有限，造成基礎淺埋，基礎淺埋會發生地基承載力不足的現象，從而產生不均勻沉降，造成橋梁開裂。

經過多年使用，現役大量雙曲拱橋呈現出不同程度的損壞，對交通安全造成較大隱患[1～4]。本文根據實際調查，采用合適的加固方法和施工工藝，進行全橋靜、動載作用下橋梁仿真模擬實驗，評定加固后的橋梁承載性能，為雙曲拱橋維修加固提供可靠參考。

2 主拱圈加固方案

施工技術依據《公路橋涵施工技術規范》[5]規定。針對雙曲拱橋主要損壞部位主拱圈，采用錨噴技術進行加固，擬在拱肋底部處施工增設14cm的混凝土板，并將其澆筑成整體，以增加其整體剛度和穩定性，采用箱型結構替換原來拱型結構，調整后的橋梁拱圈截面圖如圖1所示。

圖1 加固后的主拱圈截面（單位：cm）

3 靜載試驗

3.1 測試截面和工況布置

根據外觀普查結合橋梁荷載試驗要求，選擇第2孔作為荷載試驗孔。加載數值分別為30t、35t、40t，加載位置分別為拱腳、1/4跨和跨中。

3.2 靜荷載條件下數值計算

為了驗證上述加固后橋梁整體穩定性和安全性，對橋梁整體進行數值模擬。在本次數值計算中，鋼筋混凝土材料采用SOLID65單元進行模擬，其他部位采用SOUD95單元進行分析，建立三維數值模擬。本次數值模擬共劃分81526個三維實體單元和56648個節點，其中鋼筋結構單元共18862個。本次數值計算模型網格如圖2所示。

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 變形分析

為了驗證加固效果和數值模擬的準確性，將不同截面撓度變形的理論值和監測值進行對比分析。

在分別40t、35t、30t靜荷載條件下，不同實測斷面，不同荷載作用條件下，撓度校驗系數值分別在46%～65.3%、28% ～62.4%、52.8%～61.7%之間，滿足相關規范要求[5]。不同荷載作用、不同截面條件下，結構部件相對殘余應變都較小，符合規范要求，結構處于彈性工作狀態，表明加固后拱橋工作性能和整體穩定性都較好。

圖2 結構單元離散圖

3.3.2 應變分析

在試驗荷載作用和有限元軟件ANSYS數值模擬情況下，對偏載拱腳截面、偏載1/4截面、偏載拱頂截面中載拱腳截面、中載1/4截面、中載拱頂截面進行應變理論值和實測值的校核。

在40t、35t、30t荷載作用下，各測試截面各工況應變校驗系數值分別在29.8%～98.2%、31.8%～101.2%、68.9%～101.9%之間，可以得到不同截面條件下應變校驗系數，與相關規范比較可知，滿足強制性要求[6]。試驗和數值計算表明：相關結構部件的殘余應變小于規范規定的20%，表明加固后拱橋工作性能較好。

4 動載現場試驗

4.1 自振頻率

4.1.1 振型比較

通過ANSYS模擬得到前三階振型中第一階振型實測值2.930，計算值為6.107；第二階振型實測值5.423，計算值為8.181；第三階振型實測值6.039，計算值為8.820。由上述數據可以看出：第一階振型數值最小，第三階振型數值最大；第一階振型計算值與實際值相差最大，第三階振型計算值與實際值相差最小，表明對第一階振型計算時考慮影響因素不足，造成誤差較大。

4.1.2 自振頻率比較

靜動荷載現場試驗條件下，得到的拱橋頻譜圖如圖3、圖4所示。經傅里葉變換及相關處理可以得到上部結構前三階頻率實測值。結合圖3和圖4可以看出：在荷載作用前期，振動幅值變化較??；隨著時間增長，振動幅值變大，表明振動幅值與時間有關。

圖3 跨中實測基頻自譜分析

圖4 20km/h跑車跨中強迫振動

4.2 強迫振動

4.2.1 強迫振動時程曲線

圖5 30km/h跑車跨中強迫振動

4.2.2 沖擊系數

對加固后拱橋進行了動荷載條件下現場試驗，得到了預定斷面的動撓度，將其與靜荷載作用下撓度對比分析可知：行車速度為22 km/h：相應沖擊系數為1.084；行車速度為26km/h：相應沖擊系數為1.165；行車速度為32km/h：相應沖擊系數為1.181；較理論值偏小。上述結果表明：數值計算簡化了模型復雜程度，因此,計算得到的自振頻率小于實測結果，且沖擊系數也小于實測結果，這表明結構動力性能良好。

圖6 40km/h跑車跨中強迫振動

5 結論

1）采用有限元軟件ANSYS對加固后拱橋進行了動靜力響應分析，得到了材料非線性條件下加固后拱橋自振頻率、振形等數據，并將計算結果和現場試驗數據進行對比分析，結果表明數值模擬可以較好模擬拱橋結構受力特性；

2）由靜動荷載試驗數據，分析拱橋上部結構撓度變化規律和應變校驗系數分布規律可知，本次加固后橋梁整體穩定性和剛度較好，安全度較高；

3）數值計算簡化了模型復雜程度，因此計算得到的自振頻率小于實測結果，且沖擊系數也小于實測結果，這表明結構動力性能良好。

【1】GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].

【2】王國鼎,鐘圣斌.拱橋（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2000.

【3】朱宏軍,程海麗,姜德民.特種混凝土和新型混凝土[M].北京:化學工業出版社,2004.

【4】張勁泉,魏洪昌,徐岳等.公路舊橋加固成套技術及工程實例[M].北京:人民交通出版社,2007.

【5】JTG/TF 50—2011公路橋涵施工技術規范[S].

【6】交通部.公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）[Z].1988

Study on Reinforcement and Satic-dynamic Load Test of Double Curved Arch Bridge

WANG Da-gang
（ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute，Beijing 100142,China）

Aimingatthedamagestatusofdoublecurvedarchbridge,themainarchreinforcedbyshotcretetechnology,thereinforcement schemeofthearchstructureintoboxstructure,finiteelement analysismethodisusedto analyzethedynamicresponseofthe double curved archbridge.Staticanddynamicloadtestswerecarriedoutonthebridge,thecalculationresultsandfieldtestdatawerecomparedandanalyzed. The results show that:The static load is 40t,35t,30t conditions,the relevant deflection is 46%～65.3%,28%～62.4%,52.8%～61.7%.The drivingspeedis22km/h,26km/hand32km/h,thecorrespondingimpactcoefficientwas1.084,1.165and1.181.Analysisofdeflectionand straindistributionofthecalibrationcoefficient,theoverallstabilityofthebridgereinforcementandgoodstiffness,ahighdegreeofsafety;the performance evaluation ofbridge bearingafterreinforcement,to providea reliable reference forthe maintenance of hyperbolic arch bridge reinforcement.

double-curved arch bridge；reinforce;staticanddynamicload;numerical simulation

U445.7+2;TU441+.2

A

1007-9467（2016）06-0111-03

2016-04-15

王大剛（1977～）,男，黑龍江集賢人，高級工程師,從事建筑工程設計與研究，（電子信箱）44295743@qq.com。