粘鋼加固某鋼筋混凝土桁架拱橋方案研究

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350004)

粘鋼加固某鋼筋混凝土桁架拱橋方案研究

■廖智敏

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350004)

本文以某鋼筋混凝土桁架拱橋的加固改造工程為背景，結(jié)合原橋的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范以及實(shí)際橋梁外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)原橋提出粘鋼加固方案。并運(yùn)用M I D A S/C I V I L建立該橋模型，分析該橋加固前后靜、動(dòng)力特性及其穩(wěn)定性，研究確定該加固方案的可行性。

桁架拱橋加固改造靜動(dòng)力特性穩(wěn)定性可行性

1 工程概況

某桁架拱橋?yàn)閱慰绲匿摻罨炷凌旒芄皹颍渲校瑯蜷L(zhǎng)為(10.5m+1.2m+6.0m+1.2m)×2+50.0m=87.8m，橋面寬度為3.0m(人行道)+18.0m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+3.0m(人行道)=24.0m。主跨為50m，并且由8根桁架拱片組成，拱片的矢跨比為1/8，梁拱片間的距離為3.2m。橋面系采用矢跨比為1/14的微彎板及C30防水混凝土填平層，下部結(jié)構(gòu)為框架式結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)輕型橋臺(tái)。橋梁正交，設(shè)計(jì)荷載：汽-20，掛-100。橋跨布置如圖1～圖3。

2 原橋使用現(xiàn)狀

圖1 橋梁的立面圖(單位：cm)

圖2 1/2橋梁的橫斷面圖(單位：c m)

圖3 橋梁的平面圖(單位：cm)

該橋建成通車(chē)至今已經(jīng)運(yùn)營(yíng)10多年，在其期間往返于橋上的車(chē)輛超載超速還有混凝土收縮徐變等一些不可避免的自然條件影響，造成了局部受力構(gòu)件的損傷與破壞，從而將會(huì)威脅該橋整體的運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)對(duì)該橋的外觀檢測(cè)報(bào)告可知，評(píng)定該橋完好狀態(tài)等級(jí)直接評(píng)為D級(jí)，處于不合格狀態(tài)，存在安全隱患。同時(shí)對(duì)該橋的荷載試驗(yàn)報(bào)告分析可知，本橋上部結(jié)構(gòu)目前尚滿(mǎn)足汽-20荷載等級(jí)的要求，但不滿(mǎn)足城-A荷載標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 加固方案設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)目前繁忙的交通流量，提高橋梁的荷載等級(jí)，將原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)-20，掛車(chē)-100，提高為城-A荷載等級(jí)。經(jīng)設(shè)計(jì)研究，本橋擬采用粘鋼加固法來(lái)加固該橋，并以MIDAS/CIVIL軟件分析加固前后橋梁靜、動(dòng)力特性及其穩(wěn)定性的改善程度來(lái)評(píng)價(jià)粘鋼加固方法的加固效果。

該方法其實(shí)是在原橋的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下，降低梁內(nèi)的應(yīng)力。此方法能夠改變?cè)瓨驑?gòu)件的截面，同時(shí)可以不需要中斷交通，并能有效的提高原橋截面的強(qiáng)度和剛度，從而來(lái)改善原橋的承載能力[1-2]。而針對(duì)本橋，做如下加固處理：在下弦桿左右兩側(cè)和下緣粘帖厚4mm的Q345鋼材，使8片下弦拱肋封閉成一個(gè)整體共同受力，在上弦桿左右兩側(cè)粘帖厚4mm和下緣粘帖厚6mm的Q345鋼材使8片上弦桿封閉成一個(gè)整體共同受力，具體見(jiàn)圖4～6。

圖4 下弦桿上下游外側(cè)正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖A(單位:cm)

圖5 下弦桿(除上下游外側(cè))正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖B(單位:cm)

圖6 上弦桿上下游外側(cè)正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖A(單位:cm)

圖7 上弦桿(除上下游外側(cè))正面粘帖鋼板一般構(gòu)造圖B(單位:cm)

4 空間模型建立

本文結(jié)合原橋的實(shí)際情況運(yùn)用MIDAS/CIVIL建立原橋加固后的空間模型。具體模型見(jiàn)圖8～圖9。

圖8 加固后的橋梁三維模型

圖9 加固后的上弦桿(左圖)、下弦桿(中圖)及實(shí)腹段(右圖)某節(jié)段示意圖

5 加固前后橋梁靜力特性分析

由于該橋?qū)儆阡摻罨炷凌旒芄皹颍孪覘U與實(shí)腹段為其主要的承重構(gòu)件。對(duì)于一般跨徑的桁架拱橋只需計(jì)算受力最大的一片，而該橋由8片桁架拱片組成，且跨寬比為2.08＜3，根據(jù)桁架拱橋靜力計(jì)算理論可知，應(yīng)采用杠桿法進(jìn)行計(jì)算分析，則此時(shí)橫向分布系數(shù)最大的是中片。同時(shí)，限于本文篇幅不能對(duì)各桁架拱片進(jìn)行詳細(xì)分析。故分析時(shí)，選取中片G5的下弦桿與實(shí)腹段為主要控制截面，作靜力特性分析。

另外，本文采用的粘鋼加固法為被動(dòng)加固法，其加固過(guò)程屬于二次受力的問(wèn)題，在進(jìn)行加固計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)粘鋼加固方案作必要的基本假定[3]。

(1)桿件在變形后，截面仍然為平面。

(2)對(duì)于受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度不予考慮。

(3)在進(jìn)行極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力取其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(4)鋼筋應(yīng)力等于鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，且不超過(guò)其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(5)當(dāng)桿件達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)時(shí)，鋼板拉應(yīng)變按平截面假設(shè)取值。鋼板應(yīng)力不超過(guò)其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(6)當(dāng)桿件達(dá)到受彎承載能力極限前，應(yīng)該要有安全的錨固措施，從而防止鋼板和混凝土兩者之間的粘結(jié)破壞。

5.1 加固前后橋梁正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

加固前后橋梁恒載活載應(yīng)力計(jì)算及對(duì)比見(jiàn)表1～2。

表1 加固前后橋梁恒載應(yīng)力計(jì)算及對(duì)比(單位：MPa)

表2 加固前后橋梁活載應(yīng)力計(jì)算及對(duì)比(單位：MPa)

在恒載、活載作用下，將加固后的各主要控制截面的應(yīng)力變化狀況同加固前的對(duì)比分析可知：采用粘鋼加固方案后相比于原橋，大部分應(yīng)力均符合拉應(yīng)力的減小和壓應(yīng)力儲(chǔ)備提高的變化，這對(duì)于該橋的整體受力是十分有利的，說(shuō)明粘鋼加固方案充分起到了優(yōu)化該橋受力的目的。再按照《規(guī)范》[4]進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力組合，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 加固前后各控制截面正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力組合計(jì)算及對(duì)比(單位：MPa)

通過(guò)上表分析可知，采用粘鋼加固法后下弦桿和實(shí)腹段截面的應(yīng)力值取得了較好的改善。截面的拉應(yīng)力有不同程度的下降，而大部分的壓應(yīng)力也有不同程度的增大，并且都在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，這對(duì)鋼筋混凝土桁架拱的整體受力是極其有利的。

5.2 加固前后橋梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

加固前后各控制截面承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算如表4所示。

表4 加固前后各控制截面承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算

通過(guò)表4分析可知，采用粘鋼加固法能夠有效地改善全橋受力情況，使得下弦桿與實(shí)腹段交界處及實(shí)腹段1/4、1/2截面的偏心距在加固后均通過(guò)驗(yàn)算，而且還提高了正截面強(qiáng)度，即橋梁的承載能力得到了提高。

5.3 加固前后橋梁結(jié)構(gòu)撓度的計(jì)算分析

加固前后各控制截面DZmax見(jiàn)表5。

表5 加固前后各控制截面DZmax(縱向最大撓度)(單位：mm)

通過(guò)表5分析可知，采用粘鋼加固法后，原橋有明顯的上撓，說(shuō)明粘鋼加固法能夠有效改善全橋的受力性能，從而有效地阻止鋼筋混凝土桁架拱橋的繼續(xù)下?lián)希⑦m當(dāng)恢復(fù)橋結(jié)構(gòu)線形。

綜上所述，采用粘鋼加固法，本質(zhì)上是增大截面，能夠提高下弦桿與實(shí)腹段中性軸的位置，使其截面大部分處于受壓，從而來(lái)增大截面的剛度。從靜力方面的數(shù)據(jù)分析可知，采用粘鋼加固方案對(duì)提高該橋的整體剛度以及承載能力有明顯效果。

6 加固前后橋梁動(dòng)力特性及其穩(wěn)定性分析

6.1 加固前后橋梁的自振特性分析

本文從計(jì)算的前20階的自振模態(tài)分析，其振型包括有下弦主拱肋與橋面系的面內(nèi)、面外振動(dòng)和空間扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及腹桿的彎曲振動(dòng)。但是在通常情況下，結(jié)構(gòu)面內(nèi)、面外前幾階自振頻率及其對(duì)應(yīng)的振型起關(guān)鍵的作用，故本文提取前20階中的面內(nèi)、面外各自前五階的自振頻率及其對(duì)應(yīng)的振型來(lái)進(jìn)行分析，具體結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)表6分析可知：粘鋼加固法對(duì)原橋的面外和面內(nèi)各階自振頻率，除個(gè)別階次有所降低外，其余大部分都有不同程度的提高，即對(duì)全橋面內(nèi)和面外整體剛度都有改善。其中，從整體上觀察，對(duì)面內(nèi)各階自振頻率的提高幅度要大于面外各階自振頻率的提高幅度，即對(duì)全橋面內(nèi)剛度的改善狀況要明顯優(yōu)于面外剛度。

表6 加固前后橋梁各階自振頻率及其變化統(tǒng)計(jì)表

6.2 加固前后橋梁的穩(wěn)定性分析

本文主要是對(duì)加固前后在自重、二期荷載作用下的工況來(lái)建立有限元屈曲分析模型，從而來(lái)分析加固前后該橋的穩(wěn)定性。并從計(jì)算的前20階的屈曲模態(tài)分析，除前兩階為下弦拱肋面外橫向側(cè)傾失穩(wěn)，其余均為腹桿局部失穩(wěn)，本文限于篇幅，僅對(duì)原橋加固前后的前8階的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地分析說(shuō)明，具體結(jié)果見(jiàn)表7。

通過(guò)表7分析可知：該橋采用粘鋼加固法后的整體結(jié)構(gòu)彈性屈曲安全系數(shù)，即一階穩(wěn)定安全系數(shù)為10.243，符合一般拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)4～5的要求[5-6]。從上表數(shù)據(jù)分析可知，采用粘鋼加固方案對(duì)原橋的前8階穩(wěn)定安全系數(shù)都有不同程度的提高，即采用3種加固方案均對(duì)橋梁的整體穩(wěn)定性及整體剛度都有所改善。

表7 加固前后橋梁各階穩(wěn)定安全系數(shù)及其變化統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，采用粘鋼加固方案對(duì)于原橋的自振特性和自重及二期恒載作用下的穩(wěn)定性均起到了一定的改善作用。

7 結(jié)論

本文運(yùn)用MIDAS/CIVIL軟件建模計(jì)算分析得到粘鋼加固方案下橋梁靜、動(dòng)力特性及其穩(wěn)定性的改善情況并與加固前作了對(duì)比，從數(shù)據(jù)分析可知粘鋼加固方案對(duì)原橋靜力特性及其下弦主拱肋極限承載力改善效果顯著，同時(shí)對(duì)于原橋的自振特性和穩(wěn)定性也有很好的改善，即該桁架拱橋采用粘鋼加固方案可行。

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