鋼筋混凝土拱橋復(fù)合式加固理論分析

周啟坤、陳興碧

（貴州恒安檢測科技有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

鋼筋混凝土拱橋是一種重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著時(shí)間的推移和外界環(huán)境的作用，鋼筋混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)性能可能會逐漸下降，出現(xiàn)裂縫、腐蝕、鋼筋銹蝕等損傷現(xiàn)象，從而影響其安全性和使用壽命。因此，對部分已建成的鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行修復(fù)和加固，成為保障橋梁安全運(yùn)行的重要任務(wù)。

1 復(fù)合式加固法概述

復(fù)合式加固法是一種常用的結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固方法，通過在原有結(jié)構(gòu)上添加外部材料或構(gòu)件，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。這種方法常被應(yīng)用于鋼筋混凝土拱橋的加固處理中，旨在延長其使用壽命，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

復(fù)合式加固法的原理在于通過科學(xué)的方式和使用多樣化的材料，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度、延長結(jié)構(gòu)的使用壽命、實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)、強(qiáng)化界面黏結(jié)性。

1.1 提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度

通過在原結(jié)構(gòu)上添加復(fù)合材料，如碳纖維布或玻璃纖維片等，以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。這些材料具有較高的強(qiáng)度和剛度特性，可以有效抵抗外部荷載引起的變形和應(yīng)力集中，從而提高結(jié)構(gòu)的承載力。

1.2 延長結(jié)構(gòu)的使用壽命

復(fù)合材料具有良好的耐久性和抗腐蝕性能，可以有效延緩結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。通過添加加固層，可以改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1.3 實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)

相較于傳統(tǒng)的加固方法，復(fù)合材料具有較輕的質(zhì)量和較高的強(qiáng)度，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，不僅有助于減少結(jié)構(gòu)變形和沉降，還可以降低對原結(jié)構(gòu)的附加荷載，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

1.4 強(qiáng)化截面黏結(jié)性

復(fù)合需要與原有結(jié)構(gòu)形成良好的界面黏結(jié)性。通過合理的界面處理和黏結(jié)劑選擇，可以保證加固材料與原有結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)強(qiáng)度和一體性，以充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能。

2 鋼筋混凝土拱橋復(fù)合式加固設(shè)計(jì)方法

2.1 加固材料的選擇

進(jìn)行鋼筋混凝土拱橋復(fù)合式加固設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的加固材料至關(guān)重要。要根據(jù)具體的工程要求和鋼筋混凝土拱橋的損傷情況，選擇合適的復(fù)合材料進(jìn)行加固。

2.1.1 考慮加固材料的強(qiáng)度和剛度特性

常見的復(fù)合材料包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料和有機(jī)高分子復(fù)合材料等。這些復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和剛度，可以有效提高鋼筋混凝土拱橋的整體強(qiáng)度和剛度。

2.1.2 考慮加固材料的耐久性和耐腐蝕性能

鋼筋混凝土橋梁常受到環(huán)境侵蝕，如氯離子侵入、潮濕環(huán)境和化學(xué)腐蝕等，因此要選擇具有良好耐久性和耐腐蝕性的加固材料，確保加固效果的持久性。

2.2 加固方式確定

由于不同的加固方式在加固效果上存在差異，因此對鋼筋混凝土拱橋進(jìn)行加固時(shí)，需要根據(jù)拱橋的結(jié)構(gòu)形式、損傷情況、加固需求及施工可行性等因素，選擇合適的加固方式，并確保加固設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。常見的加固方式有包裹加固、外貼加固。

2.2.1 包裹加固

包裹加固是指在鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的外部包裹加固層，有效提高鋼筋混凝土拱橋的抗彎和抗剪能力，改善結(jié)構(gòu)的整體性能，以提升其整體強(qiáng)度。常用的包裹加固材料包括碳纖維布、玻璃纖維布等。

2.2.2 外貼加固

外貼加固是將加固材料粘貼在鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的外部，能夠有效地提高鋼筋混凝土拱橋的剛度和抗彎能力，減小結(jié)構(gòu)變形，提高橋梁的承載能力，常見的外貼加固材料包括碳纖維板、玻璃纖維板等。

2.3 加固層厚度確定

加固層厚度的確定需要考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、加固材料的性能和加固要求等因素。

第一，加固層厚度的確定首先需要考慮橋梁原結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，包括荷載傳遞路徑、主要受力構(gòu)件和關(guān)鍵承載部位。通過結(jié)構(gòu)分析，了解橋梁在不同工況下的應(yīng)力分布和變形情況，從而確定不同位置的加固層厚度，以實(shí)現(xiàn)合理的受力分配和結(jié)構(gòu)性能提升。

第二，加固材料的力學(xué)性能對加固層厚度選擇有直接影響。例如，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）等材料有不同的強(qiáng)度、剛度和耐久性。根據(jù)加固材料的特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，可以確定不同部位的加固層厚度，以充分發(fā)揮材料性能。

綜合考慮上述因素，在實(shí)際施工中，需要根據(jù)加固要求與工程經(jīng)驗(yàn)、通過結(jié)構(gòu)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、加固材料性能測試等方法來確定加固層的厚度。通過結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，可以模擬不同加固層厚度下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況；通過能夠評估不同厚度下加固層的性能。并且，需要在提升結(jié)構(gòu)安全性和性能的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)性和可行性，確保加固施工取得良好的效果。

2.4 工藝選擇

采用復(fù)合式加固模式時(shí)，需要考慮施工方案的可行性和實(shí)施的難度。根據(jù)具體情況，選擇適合的施工方法和工藝流程。在施工之前，需要對原結(jié)構(gòu)表面需要進(jìn)行充分的清潔，以確保加固材料與結(jié)構(gòu)的良好黏結(jié)。表面處理主要包括除塵、除油、砂磨等工序，以提供一個(gè)粗糙的表面，增加黏結(jié)面積和黏結(jié)強(qiáng)度。此外，選用合適的黏結(jié)劑至關(guān)重要。黏結(jié)劑的性能應(yīng)與加固材料相匹配，且具有良好的黏結(jié)性和耐久性。施工人員需要按照黏結(jié)劑的使用要求進(jìn)行正確的施工操作，以保證加固效果。

在鋼筋混凝土拱橋復(fù)合式加固施工過程中，需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括施工工藝的控制、材料質(zhì)量的檢驗(yàn)和測試，以及施工過程的監(jiān)督等，以確保加固工程的質(zhì)量和可靠性。此外，還要充分考慮施工安全和環(huán)境保護(hù)，應(yīng)制訂施工安全措施，確保施工人員的安全，同時(shí)采取有效的環(huán)境保護(hù)措施，減少施工對環(huán)境的影響，如合理處理廢棄物，提高施工材料利用率等。

3 建立理論模型

為了評估加固方法的合理性，可以建立鋼筋混凝土拱橋有限元理論模型，比較加固前后的響應(yīng)系數(shù)，從而判斷加固方法的應(yīng)用效果。

3.1 橋梁幾何模型建立

根據(jù)現(xiàn)有橋梁修筑資料，通過橋梁的幾何尺寸、主要構(gòu)件的截面形狀和布置等參數(shù)建立橋梁的幾何模型。可以使用CAD 軟件或有限元軟件中的建模工具創(chuàng)建幾何模型，并確保幾何模型與橋梁實(shí)際情況相符。

3.2 材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)有橋梁資料中提供的材料參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)規(guī)范等，設(shè)置鋼筋混凝土的彈性模量、泊松比、強(qiáng)度等參數(shù)。

3.3 加載條件定義

根據(jù)現(xiàn)有橋梁資料中提供的交通荷載、溫度荷載等加載條件，定義加載模式和荷載大小。考慮橋梁的實(shí)際使用情況，可以設(shè)置不同的工況，如靜態(tài)荷載、動態(tài)荷載、溫度變化等。

3.4 邊界條件設(shè)置

確定模型的邊界條件，包括支座約束和應(yīng)力釋放區(qū)域等，設(shè)置這些邊界條件時(shí)應(yīng)考慮橋梁的實(shí)際支撐方式和約束情況。

1)熱含量(Heat Content,簡稱HC)的計(jì)算:本文綜合考慮溫躍層下界深度(吳曉芬等,2011)及資料的深度范圍,將0～400 m深度的海洋溫度平均值定義為海洋上層熱含量值。

3.5 加固方案模擬

根據(jù)加固方案資料，對加固后的橋梁進(jìn)行模擬。根據(jù)不同的加固方法，可以添加外部材料或構(gòu)件，并將其特性設(shè)置為相應(yīng)的材料參數(shù)。

3.6 有限元分析

利用MIDAS 等有限元軟件進(jìn)行模型分析。通過施加加載條件，進(jìn)行靜力或動力分析，計(jì)算橋梁在各個(gè)工況下的響應(yīng)情況。

通過以上分析，可以評估加固方法的合理性。如果加固后的響應(yīng)系數(shù)較加固前有明顯改善，如減小位移、應(yīng)力等，表明加固方法有效，反之則要考慮其他的加固方法，并重新評估。

4 橋梁加固前后理論模型對比分析

4.1 加固前后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對比分析

加固前后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對比分析是評估加固方法有效性的重要方面。通過有限元分析，可以對比加固前后關(guān)鍵截面或節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布情況，從而評估加固方法對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。在加固前的理論模型中，可能存在一些結(jié)構(gòu)損傷或應(yīng)力集中現(xiàn)象，如裂縫、應(yīng)力集中區(qū)等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度下降和安全性風(fēng)險(xiǎn)。

通過有限元分析，可以定量評估加固前后關(guān)鍵截面或節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化。例如，對比加固前后的最大應(yīng)力值，判斷加固后的應(yīng)力是否明顯降低，加固前存在的應(yīng)力集中區(qū)是否得到緩解等。此外，可以對比不同工況下的應(yīng)力分布情況，分析加固方法在不同荷載情況下的效果。

4.2 加固前后橋跨剛度對比分析

剛度是指結(jié)構(gòu)對外界荷載產(chǎn)生的變形抵抗能力，對橋梁的承載能力和穩(wěn)定性起重要作用。在理論模型中，可以施加相同的荷載條件，比較加固前后的位移響應(yīng)和剛度變化。通過有限元分析或其他分析方法，可以獲得橋梁在不同工況下的位移響應(yīng)曲線，對比加固前后的位移響應(yīng)曲線，可以直觀地評估加固方法對橋跨剛度的改善情況。如果加固后的位移響應(yīng)明顯減小，表明加固方法能夠有效提高橋梁剛度，位移減小意味著結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的變形更小，能夠保持較好的穩(wěn)定性和垂直度。

4.3 理論計(jì)算的自振特性值比較

自振特性是橋梁結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)特性，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、動力響應(yīng)和抗震性能有重要影響。在加固前后的理論模型中，可以通過有限元分析等方法計(jì)算橋梁的固有頻率和模態(tài)形狀。

此外，模態(tài)形狀能夠描述不同振動模式下結(jié)構(gòu)的形變分布情況。加固后模態(tài)形狀發(fā)生改變，表明加固方法對結(jié)構(gòu)的剛度分布和動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了影響，通過分析模態(tài)形狀變化情況，可以評估加固方法對橋梁動力特性的改善程度。

需要注意的是，自振特性值的比較應(yīng)涵蓋不同振動模態(tài)，并考慮不同的荷載情況。復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)可能存在多個(gè)固有頻率和模態(tài)形狀。因此，應(yīng)該對比分析不同振動模態(tài)下的自振特性值，并綜合考慮加固方法對各個(gè)振動模態(tài)的影響。

此外，想要全面評估加固方法對橋梁自振特性的影響，需要綜合理論計(jì)算、實(shí)際監(jiān)測和試驗(yàn)驗(yàn)證等方法。

在分析過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

其一，加固前后的理論模型要盡可能保持一致，包括幾何形狀、材料性質(zhì)、加載條件等。

其二，分析過程應(yīng)該涵蓋不同工況和荷載情況，以綜合評估加固方法的有效性。

其三，需要考慮模型的準(zhǔn)確性和精度，包括網(wǎng)格劃分、材料模型等參數(shù)的選擇。

其四，應(yīng)基于設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行效果評估，比較加固前后的性能改善是否滿足實(shí)際需要。

5 結(jié)語

綜上所述，復(fù)合式加固是一項(xiàng)重要的工程技術(shù)，能夠提升鋼筋混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)性能和安全性。在實(shí)際施工中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加固材料、加固方式及施工工藝等因素，同時(shí)應(yīng)對該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究和實(shí)踐，以推動橋梁工程的進(jìn)一步發(fā)展。