粘貼鋼板法加固剛架拱橋的應用研究

唐濤+呂元佳

摘 要：文章以某剛架拱橋加固整治工程為依托，根據(jù)該橋技術狀況及國內(nèi)外現(xiàn)有剛架拱橋加固技術，制定了一套加固整治方案，并應用有限元軟件作為工具，分析了剛架拱橋采用粘貼鋼板法加固前、后的力學性能。結果表明，粘貼鋼板法加固后主拱圈正截面承載力在各工況下均滿足使用要求，且承載力富余量較大。

關鍵詞：粘貼鋼板法；強度驗算；剛架拱橋；加固

1 概述

剛架拱橋具有結構簡單、外觀輕盈美觀、組成構件重量小、吊裝施工方便、經(jīng)濟適用等特點，在我國得到了廣泛的應用。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的交通荷載等級不斷提高，剛架拱橋在其運營過程中，橋梁結構長期承受車輛荷載，不可避免地出現(xiàn)了一系列病害[1]。目前，我國有近百座鋼筋混凝土剛架拱橋安全性與耐久性出現(xiàn)不足，個別剛架拱橋甚至出現(xiàn)了嚴重的病害，嚴重威脅結構安全。如果采取拆除重建的方式，不僅時間成本大，而且還影響交通運輸[2]，因此，采取局部加固的方式提高橋梁承載能力具有十分重要的現(xiàn)實意義。

粘貼鋼板法是一種常用的加固補強方法，其是指在鋼筋混凝土等構件的表面上粘貼具有較大抗拉強度的薄鋼板，使之與構件形成整體，使得混凝土整體和薄鋼板能夠協(xié)同工作，能夠使構件薄弱部分與存在缺陷的部分得到改善、構件的裂縫擴展得到抑制[3]。本文以某剛架拱橋加固整治工程為依托，在總結和分析該類橋梁病害和現(xiàn)有加固技術的基礎上，同時采用Midas/civil 2015軟件進行了承載力驗算，提出了一套針對剛架拱橋的加固增強方案。

2 工程概況

某橋為一孔凈跨50m、全長86m的混凝土剛架拱橋，建成于1997年。該橋設計荷載標準為汽-超20級、掛車-120，橋面寬度為16.5m快車道+2×0.5m防撞護欄。本橋上部構造除橋面、翼板、填平層及接頭為現(xiàn)澆混凝土外，其余均為預制混凝土構件，全橋由7片拱肋組成。拱腳、斜撐及弦桿均為一段預制，實腹段為兩段預制。在拱頂接頭、實腹段與拱腿、弦桿與拱腿等接頭處均采用鋼板接頭，其余均采用鋼筋焊接現(xiàn)澆混凝土接頭。拱頂?shù)念A拱度為L/800，實腹段范圍內(nèi)按二次拋物線設置，拱腿范圍內(nèi)按直線變化。本橋拱片現(xiàn)澆接頭采用35號混凝土，拱片、微彎板、現(xiàn)澆混凝土填平層、現(xiàn)澆翼板拱座、橋頭搭板采用30號混凝土。

檢測發(fā)現(xiàn)該橋拱肋局部出現(xiàn)不同程度豎向裂縫；橫梁與拱肋連接處鋼板出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；拱肋、橋面板混凝土出現(xiàn)破損、腐蝕、剝落現(xiàn)象；各拱肋聯(lián)結橫梁連接狀況較差。鋪裝多處坑洞；部分泄水管周圍混凝土剝落、鋼筋銹蝕，伸縮縫破損，橋臺局部出現(xiàn)不同程度裂縫。

為了增強結構受力整體性及防止裂縫的擴展，采用粘貼鋼板對橋梁上部結構進行全面的維修加固增強的技術方案，主拱圈每片拱肋L/4～3L/4區(qū)段底部粘貼縱向鋼板，并外箍U型鋼板條，鋼板條的凈距為25cm，厚度為6mm。采用表面封閉法、壓力灌漿法修補拱肋、橫梁及橋臺裂縫。為保證加固層施工過程中每個主拱肋受力均衡對稱以及橋墩所受水平推力均衡對稱，施工時各自同時從兩拱腳至拱頂方向?qū)ΨQ施工。

3 加固前后有限元分析

3.1 有限元分析模型建立

采用有限元軟件“Midas/civil 2015”建立有限元模型；由于該橋車行道及結構均為對稱布置，分別選取1#～7#肋拱腳截面、L/8、L/4及L/2截面進行正截面承載力驗算；永久作用主要為結構重力，鋼筋混凝土容重26.0kN/m3；可變作用為公路-II級（按照公路-II級車道荷載計算，橫向布置4車道，根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》 JTG D60-2004考慮車輛沖擊系數(shù)及橫向折減系數(shù)）；全橋溫升12度和溫降18度；承載能力極限狀態(tài)基本組合，荷載效應分項系數(shù)按《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60-2004取值。

計算原橋受力時采用301個節(jié)點、422個梁單元模擬上部結構，采用156個板單元模擬微彎板橫向傳力作用。拱腿及斜撐與橋臺連接處邊界條件為固定鉸支，與弦桿連接處為剛性連接，弦桿與支座處邊界條件為可移動鉸支，微彎板自重、欄桿自重及二期恒載采用梁單元荷載擬合，微彎板材料采用容重為零、其余參數(shù)與C35相同的自定義材料，其余單元材料為C35混凝土。計算加固后橋梁承載力時，按照加固后的橋梁實際結構形式建立空間模型，加固后的截面按照加固方案采用組合截面。

3.2 拱橋加固前后受力分析

內(nèi)力分析通過某剛架橋承載力驗算與加固施工全過程內(nèi)力分析。根據(jù)有限元軟件空間模型內(nèi)力計算結果，由于中游幅橋車行道及結構均為對稱布置，選取4#肋拱腳截面、L/4及拱頂截面進行正截面承載力驗算的結果，如表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，主拱圈加固前4#肋L/4、拱頂截面承載力不足，經(jīng)過在主拱圈每片拱肋L/4～3L/4區(qū)段底部粘貼縱向鋼板，并外箍U型鋼板條進行加固處治后，主拱圈4#肋L/4、拱頂?shù)任ｋU截面承載能力在各工況下均滿足使用要求，并且其他關鍵截面承載力均得到了一定的提升。

4 結束語

本文主要將粘貼鋼板技術，應用于剛架拱橋的加固整治具體工程之中。通過有限元仿真分析，粘貼鋼板法加固剛架拱橋后，主要控制截面承載能力都有所提高，加固后橋梁承載力能夠滿足公路-Ⅱ級荷載等級使用要求，且富余量較大，取得了較好的加固效果，文中的加固方案和分析方法為同類型橋梁的加固處治提供了有益的借鑒。

參考文獻

[1]張源 .剛架拱橋的靜載試驗研究[J].西部交通科技，2012（7）：59-62.

[2]李海，朱慶鋮.粘貼鋼板法在橋梁維修加固中的應用[J].路橋科技，2013（21）：76-80.

[3]赫中營，王根會.既有鋼筋混凝土剛架拱橋病害分析與加固措施[J].公路與汽運，2008（1）：113-116.