某鋼管混凝土拱橋加固與分析

竇魁鋒

（中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

1 工程概況

某鋼管混凝土系桿拱橋[1]，跨度布置為（60.5+251+60.5）=372m，橋面寬度31.9m，主跨拱肋采用鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，腹桿為空心鋼管。拱肋高4.5m，上、下弦桿各為兩根直徑1000mm×14mm的16Mn鋼管，上、下弦兩根并列鋼管間用12mm厚16Mn綴板連接，腹桿為直徑500mm×10mm的16Mn空鋼管。鋼管混凝土系桿拱橋橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置示意圖（單位：m）

原橋主梁為動態(tài)懸吊式結(jié)構(gòu)，橋面車行道部分為簡支T梁結(jié)構(gòu)，支撐于鋼橫梁上。兩側(cè)人行道部分為簡支空心板結(jié)構(gòu)，支撐于鋼橫梁上。根據(jù)現(xiàn)狀檢測結(jié)果顯示，該橋面體系的整體性不足，行車舒適性較差。該橋橋面系大面積破壞，且屢修屢壞，吊桿一旦斷裂，就會出現(xiàn)垮塌，結(jié)構(gòu)安全隱患較大。為提高該橋的整體安全性，對其動態(tài)懸吊式主梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改造。

2 橋梁加固方案

為提高橋面系的整體性剛度和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，改善其行車舒適性，結(jié)合該橋目前的實(shí)際情況，考慮在橋面上增設(shè)鋼縱梁。具體思路為：將橋面的簡支空心板更換為鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁。鋼縱梁與原有鋼橫梁焊接形成整體，以加強(qiáng)橋梁總體剛度和整體性[2]。橋面人行道新增縱梁構(gòu)造如圖2所示，加固方案橋梁橫斷面如圖3所示。

圖2 新增縱梁構(gòu)造圖（單位：m）

圖3 加固方案橋梁橫斷面圖（單位：m）

3 加固橋梁有限元模型

本橋計(jì)算采用MidasCivil有限元軟件進(jìn)行空間總體計(jì)算，分別對施工階段和成橋狀態(tài)下進(jìn)行了靜力分析和結(jié)構(gòu)動力特性分析。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，除系桿和吊索采用索單元外，其余構(gòu)件均按空間梁單元進(jìn)行建模，橋面系采用縱橫梁體系建模。全橋有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 加固橋梁有限元模型

4 加固后全橋靜力分析結(jié)果

4.1 承載能力極限計(jì)算結(jié)果

4.1.1 拱肋承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06—2015）[3]中第5.1.1條規(guī)定，主橋拱肋主管應(yīng)采用基本組合分別按單管偏心受壓及組合偏心受壓構(gòu)件受壓承載能力驗(yàn)算。

由表1計(jì)算結(jié)果可知，基本組合主拱圈承載能力最小抗力系數(shù)為1.02，位于拱腳下主管，滿足要求。

表1 基本組合下主拱圈承載力驗(yàn)算（單管受壓截面）

由表2計(jì)算結(jié)果可知，基本組合下主拱圈承載能力最小抗力系數(shù)為1.02，位于L/4，滿足要求。

表2 基本組合下主拱圈承載力驗(yàn)算（組合受壓截面）

4.1.2 拱肋其他構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

承載能力基本組合下，拱肋剪力最大值為2910kN，位于拱腳處，抗剪承載能力為11777kN，抗力系數(shù)為3.7，抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

承載能力基本組合下[4]，風(fēng)撐及腹桿最大應(yīng)力為-116MPa；鋼橫梁最大應(yīng)力為223MPa；新增鋼縱梁最大應(yīng)力為116MPa，均小于275MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 正常使用階段計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06—2015）中第6.1.2條及附錄C規(guī)定，應(yīng)分別按短期及長期組合采用應(yīng)力疊加法進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。

經(jīng)計(jì)算，在正常使用階段荷載組合下，拱肋鋼管最大應(yīng)力為-121MPa，風(fēng)撐和腹桿最大應(yīng)力為-79MPa，鋼橫梁最大應(yīng)力為173MPa，新增鋼縱梁最大應(yīng)力為85MPa，混凝土最大壓應(yīng)力為-21MPa，系桿最大應(yīng)力為1029MPa，吊桿最大應(yīng)力為590MPa≤1570/2.5=628MPa，吊索安全系數(shù)大于2.5。以上結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 加固后橋梁動力特性分析

橋跨結(jié)構(gòu)模型同樣采用空間靜力分析的模型，采用分塊的Lancos方法實(shí)施特征值求解，并提取前五階自振頻率（周期）和模態(tài)振型。橋跨結(jié)構(gòu)前五階自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 橋跨結(jié)構(gòu)主要自振模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由于篇幅所限，本文僅列出橋梁結(jié)構(gòu)的前二階振型圖，如圖5所示。

圖5 拱橋的前二階振型

6 加固后橋梁穩(wěn)定性分析

根據(jù)實(shí)際情況，分別對現(xiàn)狀橋梁和加固改造后橋梁的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算[5]，各階段穩(wěn)定系數(shù)如表4所示。由此可知，各階段的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于4，且各工況下均為整體屈曲，滿足規(guī)范的要求。各工況下一階屈曲模態(tài)如圖6~圖8所示。

圖6 工況一：一階屈曲模態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)6.6）

圖8 工況三：一階屈曲模態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)7.2）

表4 各主要受力階段穩(wěn)定分析結(jié)果

7 加固改造前后對比分析

7.1 行車舒適性對比

加固改造前，該橋面體系的整體性不足，行車舒適性較差。加固改造后，橋面整體穩(wěn)定性有所提高，行車舒適性明顯提升。

圖7 工況二：一階屈曲模態(tài)（穩(wěn)定系數(shù)7.5）

7.2 橋面耐久性對比

加固改造前，因橋面系整體穩(wěn)定性不足，易因橋面應(yīng)力集中造成橋面系大面積破壞，且屢修屢壞。加固改造后，橋面系剛度和穩(wěn)定性得到明顯加強(qiáng)，橋面耐久性明顯增強(qiáng)。

7.3 結(jié)構(gòu)安全性（斷索工況）對比

加固改造前，橋面吊桿受力復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)安全隱患較大，斷索工況存在風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過對動態(tài)懸吊式主梁結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改造，橋面系剛度和整體性加強(qiáng)，各吊桿受力均衡，吊桿受力狀態(tài)較為穩(wěn)定，斷索工況風(fēng)險(xiǎn)顯著降低，橋面吊桿的結(jié)構(gòu)安全性明顯提高。

8 結(jié)語

本文較詳細(xì)、完整地介紹了該鋼管混凝土拱橋的主要計(jì)算過程和內(nèi)容，可為同類橋梁結(jié)構(gòu)分析提供參考。本橋計(jì)算表明：

在成橋階段，基本承載能力組合下，主拱圈承載能力雖能滿足規(guī)范要求，但是最小抗力系數(shù)僅為1.02，安全儲備富余不足，應(yīng)引起重視，建議采取適當(dāng)?shù)闹剌d限載措施。

在成橋階段，腹桿、風(fēng)撐和鋼主梁等均滿足受力要求，且有較大安全富余；吊桿和系桿安全系數(shù)均大于2.5，均滿足規(guī)范要求。

主橋在現(xiàn)狀穩(wěn)定安全系數(shù)為6.6，加固改造成橋后的穩(wěn)定安全系數(shù)為7.2，均大于4，滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求，整體穩(wěn)定性有所提高。