某鋼管混凝土拱橋加固與分析

竇魁鋒

（中鐵七局集團有限公司，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構，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）

原橋主梁為動態懸吊式結構，橋面車行道部分為簡支T梁結構，支撐于鋼橫梁上。兩側人行道部分為簡支空心板結構，支撐于鋼橫梁上。根據現狀檢測結果顯示，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，就會出現垮塌，結構安全隱患較大。為提高該橋的整體安全性，對其動態懸吊式主梁結構體系進行改造。

2 橋梁加固方案

為提高橋面系的整體性剛度和抗風險能力，改善其行車舒適性，結合該橋目前的實際情況，考慮在橋面上增設鋼縱梁。具體思路為：將橋面的簡支空心板更換為鋼結構連續梁。鋼縱梁與原有鋼橫梁焊接形成整體，以加強橋梁總體剛度和整體性[2]。橋面人行道新增縱梁構造如圖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

本橋計算采用MidasCivil有限元軟件進行空間總體計算，分別對施工階段和成橋狀態下進行了靜力分析和結構動力特性分析。在結構計算中，除系桿和吊索采用索單元外，其余構件均按空間梁單元進行建模，橋面系采用縱橫梁體系建模。全橋有限元計算模型如圖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果

4.1 承載能力極限計算結果

4.1.1 拱肋承載能力極限狀態驗算

根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG/T D65-06—2015）[3]中第5.1.1條規定，主橋拱肋主管應采用基本組合分別按單管偏心受壓及組合偏心受壓構件受壓承載能力驗算。

由表1計算結果可知，基本組合主拱圈承載能力最小抗力系數為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算（單管受壓截面）

由表2計算結果可知，基本組合下主拱圈承載能力最小抗力系數為1.02，位于L/4，滿足要求。

表2 基本組合下主拱圈承載力驗算（組合受壓截面）

4.1.2 拱肋其他構件承載能力極限狀態驗算

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，抗力系數為3.7，抗剪承載力滿足規范要求。

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

4.2 正常使用階段計算結果

根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG/T D65-06—2015）中第6.1.2條及附錄C規定，應分別按短期及長期組合采用應力疊加法進行應力強度驗算。

經計算，在正常使用階段荷載組合下，拱肋鋼管最大應力為-121MPa，風撐和腹桿最大應力為-79MPa，鋼橫梁最大應力為173MPa，新增鋼縱梁最大應力為85MPa，混凝土最大壓應力為-21MPa，系桿最大應力為1029MPa，吊桿最大應力為590MPa≤1570/2.5=628MPa，吊索安全系數大于2.5。以上結果均滿足規范要求。

5 加固后橋梁動力特性分析

橋跨結構模型同樣采用空間靜力分析的模型，采用分塊的Lancos方法實施特征值求解，并提取前五階自振頻率（周期）和模態振型。橋跨結構前五階自振模態計算結果見表3。

表3 橋跨結構主要自振模態計算結果

由于篇幅所限，本文僅列出橋梁結構的前二階振型圖，如圖5所示。

圖5 拱橋的前二階振型

6 加固后橋梁穩定性分析

根據實際情況，分別對現狀橋梁和加固改造后橋梁的穩定性進行了計算[5]，各階段穩定系數如表4所示。由此可知，各階段的穩定安全系數均大于4，且各工況下均為整體屈曲，滿足規范的要求。各工況下一階屈曲模態如圖6~圖8所示。

圖6 工況一：一階屈曲模態（穩定系數6.6）

圖8 工況三：一階屈曲模態（穩定系數7.2）

表4 各主要受力階段穩定分析結果

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（穩定系數7.5）

7.2 橋面耐久性對比

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

7.3 結構安全性（斷索工況）對比

加固改造前，橋面吊桿受力復雜多變，結構安全隱患較大，斷索工況存在風險。經過對動態懸吊式主梁結構體系進行改造，橋面系剛度和整體性加強，各吊桿受力均衡，吊桿受力狀態較為穩定，斷索工況風險顯著降低，橋面吊桿的結構安全性明顯提高。

8 結語

本文較詳細、完整地介紹了該鋼管混凝土拱橋的主要計算過程和內容，可為同類橋梁結構分析提供參考。本橋計算表明：

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范要求，但是最小抗力系數僅為1.02，安全儲備富余不足，應引起重視，建議采取適當的重載限載措施。

在成橋階段，腹桿、風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均大于2.5，均滿足規范要求。

主橋在現狀穩定安全系數為6.6，加固改造成橋后的穩定安全系數為7.2，均大于4，滿足規范穩定性要求，整體穩定性有所提高。