上承式拱橋新型加固改造方法及試驗驗證

謝肖禮　李院騰　龐木林

摘要：早期的上承式拱橋受限于設計荷載等級偏低、維護養護不到位和已運營多年等，其力學性能已不能滿足現代交通需求，針對這一問題本文提出了一種新型的加固改造方法，即在拱肋與主梁間增設V桿、橋面上安裝桁片，使以拱肋為主要承重構件的受力體系轉變為雙層桁架整體受力體系。為評估該方法的加固效果，以某50 m上承式拱橋為研究對象，運用有限元手段對比分析加固前后的力學性能。為進一步驗證新加固改造法對提高原結構力學性能的有效性，完成10 m試驗橋的荷載試驗并對比分析結果。兩種結果均表明：新型加固改造方法可以大幅提高橋梁承載力與剛度。對實橋進行有限元分析時，加固改造后拱腳和跨中最大壓應力分別減小2.9、2.3 MPa，主梁最大上、下撓分別減小35.08%、27.42%；對試驗橋進行靜載加載時，加固改造后拱肋上緣與下緣最大應力分別減小82.68%、78.14%，拱肋最大上、下撓值分別減小97.47%、90.30%。故該加固改造方法積極有效，可盡早應用于工程實際。

關鍵詞：橋梁工程；加固改造；橋梁結構體系；荷載試驗；有限元

中圖分類號：U441.3文獻標志碼：A文獻標識碼

A new reinforcement and reconstruction method and experimental verification for deck arch bridge

XIE? Xiaoli，LI? Yuanteng，PANG? Mulin*

（College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

Abstract： Due to the low design load level，inadequate maintenance and maintenance，and many years of operation，the mechanical properties of the early deck arch bridge can not satisfy the modern traffic requirements.To solve this problem，a new method of bridge reinforcement and reconstruction is proposed in this paper.By adding V-bars between arch ribs and main girder and installing trusses on the bridge deck，the traditional stress system with arch rib as the main load-bearing component is transformed into the overall stress system with double-layer truss.In order to evaluate the reinforcement effect of this method，the finite element analysis method was used to contrast and analyze the mechanical performances of a 50 m deck arch bridge before and after reinforcement.In order to further verify the effectiveness of the new reinforcement method in improving the mechanical properties of the original structure，the load test of 10 m test bridge was complete to analyze structure mechanical performances.The results indicate that the new reinforcement method can greatly improve the bearing capacity and stiffness of bridges.In the finite element analysis of the real bridge，the maximum compressive stresses at the arch foot and mid-span are reduced by 2.9 MPa and 2.3 MPa respectively，and the maximum up and down deflections of the main beam are reduced by 35.08% and 27.42% respectively.When the test bridge is loaded under static load，the maximum stresses at the upper and lower edges of the arch rib are reduced by 82.68% and 78.14% respectively，and the maximum up and down deflections of arch rib are reduced by 97.47% and 90.30% respectively.Therefore，this method is active and effective and should be applied to engineering practice as soon as possible.

Key words： bridge engineering;reinforcement and reconstruction;bridge structure system;load test;finite element

盡管現代橋梁涌現出了各種各樣的結構形式，拱橋仍具有很強的競爭力。拱橋在我國歷史悠久，據不完全統計，拱橋在全國橋梁中占比達六成以上，在我國西部地區更是超過八成［1］，其中上承式拱橋跨越能力強、整體剛度大，且能利用地質條件修建基礎，經濟性好，同時具備著可適用于各種地理環境下的成熟的施工工藝，所以在橋梁工程中往往作為首選橋型［2-3］。然而，20世紀末在我國建造的上承式拱橋，因受限于最初的設計與施工技術不夠完善成熟、維修養護不到位、車輛超載嚴重，出現了構件承載力不足、剛度下降等問題，已逐漸成為現代交通發展的“瓶頸”。對這些已出現安全隱患的舊橋，若一味選擇拆除重建，不僅在資金方面開支不菲，而且由于長時間中斷交通所造成的社會和經濟影響也難以估量。國內工程經驗表明，舊橋在加固改造過程中投入的資本成本僅占新建橋梁施工投入資金成本的20%～30%，若通過加固改造，恢復并提高舊橋的承載能力，使其繼續在交通運輸行業安全運營，則不僅符合資源可持續發展的需求，更可以給國家帶來巨大的社會、經濟效益［4］。

目前，國內針對上承式拱橋的加固方法主要有增大截面法［5-7］、粘貼碳纖維法［8-10］、粘貼鋼板法［11-13］、鋼筋砼套箍封閉主拱圈法［14-16］、改變結構體系法［17-19］等，前4種方法雖然能在一定程度上提高結構的力學性能，但存在施工困難、自重增大、經濟性較差等缺點。改變結構體系法是通過改變拱橋結構受力體系，達到結構內力重新分布、提高橋梁承載能力的目的，但是現有的方法一般僅將實腹拱橋的實腹段換成輕質材料，或改變拱上建筑以減小橋梁恒載和拱圈壓應力，如20世紀70年代建成的福建省羅源縣關五里大橋和江西修水—武寧公路走馬崗大橋。可見，傳統的改變結構體系加固法僅能減小拱上荷載，實際上拱圈仍為主要承重構件，因此加固后橋梁的各項力學性能指標提高不大。

為了對現有上承式拱橋進行科學的加固改造，使其力學性能得到有效提高，本文提出一種新方法，即在拱肋與主梁間增設V桿、橋面上安裝桁片，使以拱肋為主要承重構件的受力體系轉變為雙層桁架整體受力體系，先介紹該方法的力學原理，再通過有限元軟件對比研究加固改造前后拱橋的力學性能，最后利用跨徑為10m的試驗橋進行荷載試驗對研究和計算加以驗證。

1 新型加固改造方法力學原理分析

與現有的改變結構受力體系加固法不同，上承式拱橋新型加固改造方法包含了以下力學原理：

（1）在現行的各種橋梁設計規范中，拱肋均作為主要受力構件承擔恒載與活載，但是恒載對拱肋產生的效果為小偏心受壓，而活載效應還會出現彎曲、剪切及扭轉變形，可見，恒載與活載對拱肋所產生的內力和變形存在差異。上承式拱橋新型加固改造方法通過在拱肋與主梁間增設V桿、橋面上安裝桁片，可使拱肋、V桿與主梁形成下桁架，桁片與主梁形成上桁架，從而將以拱肋為主要承重構件的受力體系轉變為雙層桁架整體受力體系（圖1），達到改善結構受力性能的目標。

（2）加固后的拱橋在原來拱橋結構基礎上引入三角形理念，三角形由V桿與拱段、梁段構成，其節點對拱肋、主梁均起到很好的約束作用，然而橋梁以承受移動荷載為主，當受移動荷載作用時三角形結構處于受非節點力狀態，其穩定性會有所降低，因此，在進行加固改造時，保留原拱橋的立柱使其對主梁起到彈性約束作用，從而使三角形的穩定性能夠得到有效保持。

（3）主梁作為上、下桁架的共用弦桿，依據桁架的受力原理可知，在荷載作用下，下弦桿參與受力時其受拉，上弦桿參與受力時其受壓，所以主梁內會產生力的對沖效應，使主梁內力明顯減小，從而減少材料用量。

2 新型加固改造方法有限元分析

以某國道干線上的一座跨徑為50m的實橋為例，采用本文提出的新型加固改造方法進行改造，通過有限元軟件分析其加固改造前后的力學性能。

2.1 實橋結構布置

本橋為上承式拱橋，橋跨l=50m，矢高f=6.25m，高跨比為1/8。橋面總寬：0.75（護欄）×2+7（行車道）=8.5m。主拱圈為箱型截面，高1.3m，寬7.6m，混凝土強度等級為C40；立柱為實腹圓形截面，直徑D=60cm，混凝土強度等級為C30，順橋向間隔5m布置，橫橋向6根；鋼筋混凝土橋面板厚35cm，混凝土強度等級為C40，橋面板上為15cm厚瀝青混凝土鋪裝層。原橋按公路—Ⅱ級設計，結構布置如圖2所示。

2.2 加固改造方法

在長期處于超負荷狀態運營情況下，該橋梁已出現承載力下降、主梁開裂下撓等病害。現采用文章提出的新型加固改造方法對其進行加固改造，具體做法如下：保留原拱肋、立柱、橋臺以及拱頂處實腹段，拆除橋面系；架設主梁（格子梁）、安裝V桿和桁片，最后澆筑橋面板混凝土、鋪設瀝青層。由于橋面上安裝了桁片，為了滿足車道布置要求，將橋面寬增加到9.4m，加固改造完成后的布置如圖3所示，各構件的參數及用量見表1，加固改造總用鋼量為47.35t，換算成每平米用鋼量為100.7kg。

2.3 結構力學性能有限元分析

以建立的有限元模型（圖4）對比拱橋加固改造前后的力學性能。

模型的邊界條件處理為：拱腳、V桿上下兩端、桁片下部固結，橋面系與立柱和橋臺間設彈性支撐。

2.3.1 強度分析

由于舊橋要滿足如今的交通要求，公路荷載等級應提升為Ⅰ級，為便于比較，進行強度分析時，公路荷載等級統一取Ⅰ級。在荷載組合“1.2×恒載+1.4×活載”作用下，加固改造前后拱腳與跨中截面

位置的應力計算結果（表2）表明：由于加固改造后拱肋作為下桁架的下弦桿，荷載作用時受拉，故拱腳和跨中的最大壓應力都降低，分別減小2.9、2.3MPa。

為了確保新增鋼結構不發生塑性破壞，根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》，在荷載組合“1.2×恒載+1.4×活載+1.05×溫度荷載”下對鋼結構的應力進行計算，結果（表3）表明：新增鋼結構所受的拉、壓應力較小，且符合規范要求。

2.3.2 剛度分析

在移動荷載工況下對加固改造前后主梁的撓度進行計算，結果（表4）表明：通過在拱肋與主梁間增設V桿、橋面上安裝桁片，使原有的結構體系轉變為雙層桁架整體受力體系后，結構的剛度得到大大提高，加固改造后的主梁的最大上、下撓分別僅為1.61、3.90mm，較加固改造前分別減小35.08%、27.42%。

2.3.3 動力特性分析

在恒載作用下對加固改造前后結構的動力特性進行分析［22-23］，結構的前五階振動頻率及振型特征描述列于表5，對應的振型模態如圖5所示。

可見，加固改造前后結構的振動主要以面內振動為主，但是在同一振型特征下，加固改造后結構的自振頻率提高明顯，具體而言，發生一階反對稱豎彎時，加固改造前的自振頻率為4.6131Hz，加固改造后自振頻率提高了31.89%。因此，新型加固改造方法還可用于解決舊橋動力特性較差的問題。

3 上承式拱橋新型加固改造方法試驗研究

為了驗證新型加固改造方法對提高原結構力學性能的有效性，本研究修建試驗橋進行荷載試驗，通過靜力荷載等效的方法模擬移動荷載在橋面上出現下撓的最不利荷載工況，測試結構的應力、變形等響應，并與有限元計算結果進行對比與分析。

3.1 試驗橋布置

試驗橋跨徑10m，寬1m，矢跨比為1/5，拱軸系數m=2.8，上構為全鋼，除橋面板使用Q235外，其余構件均使用Q345。各構件用空間桿件模型模擬，構件參數見表6（其中，V形桿件與桁片占總用鋼量的21.74%），實橋以及總體布置分別如圖6、圖7所示。

主梁通過橡膠支座架設在橋臺與立柱上，增設的鋼結構與拱肋、主梁的節點處理方式為焊接。由于加固前后的橋位不變，為了更好地進行對比，試驗分兩步完成，即先進行傳統上承式拱橋的荷載試驗，然后增設V形桿件與桁片，最后進行加固改造后的荷載試驗。

3.2 加載方案設計

利用有限元軟件建立試驗橋的三維模型，通過移動荷載分析，將加固改造前后的主梁位移包絡圖（圖8）進行對比可知，加固改造前后的撓度最大點分別出現在l/4附近和l/2附近，因此將這兩個地方定為加載位置。試驗采用水箱加載的方式進行，加載重量為2t，分三級加載，整體卸載，加載時將水箱懸掛于橋面下方，試驗現場如圖9所示。采用電阻應變片和精密百分表進行應變與撓度的測量。

3.3 應力測試截面與測點布置

從拱肋兩拱腳開始，每隔l/8距離選取的位置作為拱肋應力測試截面，其應力測點布置于拱背與拱腹，V桿與桁片的應力測點均布置于桿件中部，應力測試截面示意如圖10所示，拱肋位移、現場試驗時應力和撓度的測點布置分別如圖11、圖12所示。

3.4 試驗結果分析

本研究試驗所測構件及布置的測點數較多，因篇幅所限，故本文僅給出第3級加載下的試驗數據，其中，拱肋拱背與拱腹的試驗數據取同側測點中的最大值。加固改造前后拱肋應力的有限元計算值和試驗實測值對比見表7與圖13；V桿與桁片的試驗結果與計算結果離散度分析見表8，應力對比見圖14、15。表9列出了拱肋位移的試驗實測值與有限元計算值，圖16與表9對應。

分析圖13至16、表7至9可知：加固改造前后拱肋、V桿、桁片力以及拱肋撓度的試驗數據與計算數據較為相符，試驗值與計算值的誤差絕大多數在±30%以內，僅少數數據誤差較大，整體上吻合度較好，考慮到試驗橋的跨徑較大，施工過程中容易存在偏差，并且有限元軟件計算時對邊界進行了理想化處理，試驗數據的可靠性較高，試驗總體上驗證了新型加固改造方法的有效性和科學性。

進一步對數據分析可知：加固改造后的拱橋力學性能得到了明顯的改善。在第3級加載下，加固改造后拱肋拱背與拱腹最大應力出現在拱腳2、拱腳1截面處，與加固改造前相比，上緣與下緣最大應力分別減小了82.68%、78.14%，且加固改造后拱肋的應力變化更為平緩，受力更合理。對V桿與桁片的應力進行離散度分析，結果（表8）表明：試驗值與有限元值吻合度較好；總體上試驗值偏大，考慮到施工誤差等原因，試驗結果仍較為可信。

分析拱肋撓度的數據（表9）可知：加固改造前后拱肋最大上撓值分別為3.56、0.09mm，最大下撓值分別為4.33、0.42mm，加固改造后拱肋最大上撓值減小了97.47%，最大下撓值減小了90.30%，進一步說明加固改造后的拱橋剛度得到大幅度提高。

4 結論

本文提出了一種針對上承式拱橋的新型加固改造方法，以有限元分析與試驗橋荷載試驗手段驗證加固改造效果，主要得出以下結論：

（1）加固改造后結構的承載力得到有效提高。對實橋進行有限元分析時，拱腳和跨中的最大壓應力分別減小了2.9、2.3MPa；靜載試驗中，加固改造后拱肋上緣與下緣最大應力分別減小了82.68%、78.14%。

（2）結構整體剛度得到大幅提高。利用有限元對實橋進行計算時，加固改造后主梁的最大上、下撓分別比加固改造前減小了35.08%、27.42%；靜載試驗中，加固改造后拱肋最大上撓值減小了97.47%，最大下撓值減小了90.30%。

（3）本文提出的新型加固改造方法是一種科學、有效的舊拱橋加固改造方法，其在提高結構承載能力與剛度方面優勢明顯，在進行舊、危橋的加固、提載、改造工程中可加以推廣應用。

參考文獻（References）

［1］陳寶春，劉君平.世界拱橋建設與技術發展綜述［J］.交通運輸工程學報，2020，20（1）：27-41.

CHEN B C，LIU J P.Review of construction and technology development of arch bridges in the world ［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2020，20（1）：27-41.

［2］ZHENG J L，WANG J J.Concrete-filled steel tube arch bridgesin China［J］.Engineering，2018，4（1）：143-155.

［3］謝肖禮，龐木林，邱辰，等.上承式加V拱橋動力特性研究及試驗驗證［J］.上海交通大學學報，2021，55（3）：276-289.

XIE X L，PANG M L，QIU C，et al.Research on dynamic characteristics and test verification of deck V-arch bridge ［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2021，55（3）：276-289.

［4］余天慶，蔣永紅.拱式橋梁加固技術的研究與應用［J］.世界橋梁，2006（1）：74-76.

YU T Q，JIANG Y H.Research and application of arch bridge strengthening techniques ［J］.World Bridges，2006（1）：74-76.

［5］黃春亮，杜召華，李蓉，等.拱背增大截面法在雙曲拱橋加固設計中的應用［J］.工程抗震與加固改造，2019，41（2）：73-79.

HUANG C L，DU Z H，LI R，et al.Application of the method of increasing the arch back section in the reinforcement design of the double-curved arch bridge ［J］.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2019，41（2）：73-79.

［6］張淼，錢永久，張方，等.基于增大截面法的混凝土加固石拱橋空間受力性能試驗分析［J］.吉林大學學報（工學版），2020，50（1）：210-215.

ZHANG M，QIAN Y J，ZHANG F，et al.Experimental analysis of the spatial mechanical performance of a concrete-reinforced stone arch bridge based on the method of increasing section ［J］.Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2020，50（1）：210-215.

［7］謝俊武，彭輝.拆與不拆拱上建筑下增大截面法加固雙曲拱橋模擬分析［J］.公路與汽運，2019（3）：144-147.

XIE J W，PENG H.Simulation analysis of reinforcing hyperbolic arch bridge by increasing section with or without removing the construction on the arch［J］. Highways & Automotive Applications，2019（3）：144-147.

［8］AL-ROUSAN R，AL-SARAIREH S.Impact of anchored holes technique on behavior of reinforced concrete beams strengthened with different CFRP sheet lengths and widths［J］.Case Studies in Construction Materials，2020，13：e00405.

［9］HUANG J，SHI J，XIAO H H，et al.Stressing state analysis of reinforcement concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced plastic［J］.International Journal of Concrete Structures and Materials，2020，14：38.

［10］RAMACHANDRA M A，KARIHALOO B L，PRIYA D S.Flexural behavior of RC beams retrofitted with ultra-high strength concrete［J］.Construction and Building Materials，2018，175：815-824.

［11］蘇慶田，王思哲，薛智波，等.既有鉚接鋼桁梁橋拓寬改建時的主桁構件加固設計［J］.橋梁建設，2019，49（4）：75-80.

SU Q T，WANG S Z，XUE Z B，et al.Reinforcement design of main truss members of existing riveted steel truss bridge in a widening and reconstruction project ［J］.Bridge Construction，2019，49（4）：75-80.

［12］楊雪峰.預應力混凝土空心板橋梁加固方法對比分析［J］.中外公路，2019，39（3）：94-96.

YANG X F.Comparison and analysis of reinforcement methods of prestressed concrete hollow slab bridge ［J］.Journal of China & Foreign Highway，2019，39（3）：94-96.

［13］ALAM M A，ONIK S A，MUSTAPHA K N B.Crack based bond strength model of externally bonded steel plate and CFRP laminate to predict debonding failure of shear strengthened RC beams ［J］.Journal of Building Engineering，2020，27：100943.

［14］楊俊，周建庭，程俊，等.基于斷裂力學的UHPC復合拱圈加固效率研究［J］.橋梁建設，2018，48（4）：74-78.

YANG J，ZHOU J T，CHENG J，et al.Research on strengthening efficiency of UHPC composite arch ring based on fracture mechanics ［J］.Bridge Construction，2018，48（4）：74-78.

［15］CHEONG H K，ALEVEY N M.Experimental behavior of jacketed reinforced concrete beams［J］.Journal of Structural Engineering，2000，127（6）：692-699.

［16］THERMOU G E，PANTAZOPOULOU S J，ELNASHAI A S.Flexural behavior of brittle RC members rehabilitated with concrete jacketing［J］.Journal of Structural Engineering，2007，133（10）：1373-1384.

［17］路飛，彭程.常見橋梁加固方式的分析比較與應用研究［J］.公路，2013（10）：121-123.

LU F，PENG C.Analysis，comparison and application research of common bridge reinforcement methods ［J］.Highway，2013（10）：121-123.

［18］李歡.改變結構體系加固法在拱橋加固中的應用探究［J］.四川水泥，2016（8）：20.

LI H.Research on application of reinforcement method of changing structure system in arch bridge reinforce ［J］.Sichuan Cement，2016（8）：20.

［19］孫緒杰，王鳳來，張厚，等.改變結構體系加固方法的應用［J］.建筑結構，2013，43（14）：87-91.

SUN X J，WANG F L，ZHANG H，et al.Change the application of structural system reinforcement methods ［J］.Building Structure，2013，43（14）：87-91.

［20］林國仁.病害雙曲拱橋結構分析與加固設計［J］.公路交通科技（應用技術版），2009，5（2）：55-60.

LIN G R.Structural analysis and reinforcement design of diseased double-curved arch bridge ［J］.Highway Traffic Technology（Applied Technology Edition），2009，5（2）：55-60.

［21］謝來發，諶潤水，胡釗芳.改變拱上建筑體系的雙曲拱橋加固拓寬技術［J］.公路與汽運，2003（6）：66-68.

XIE L F，CHEN R S，HU Z F.Reinforcement and widening technology of double-curved arch bridge by changing the building system on the arch ［J］.Highways & Automotive Applications，2003（6）：66-68.

［22］吳植安.大跨石拱橋主拱結構動力特性測試與分析［J］.山西建筑，2018，44（36）：145-147.

WU Z A.Test and analysis of dynamic characteristics of main arch structure of stone arch bridge ［J］.Shanxi Architecture，2018，44（36）：145-147.

［23］鄭曉龍，徐昕宇，陳列，等.上承式鐵路拱橋動力分析與驗證［J］.科學技術與工程，2019，19（31）：353-357.

ZHENG X L，XU X Y，CHEN L，et al.Dynamic analysis and verification of deck railway arch bridge ［J］.Science Technology and Engineering，2019，19（31）：353-357.

（責任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2021-07-30

基金項目：廣西科技計劃（桂科AB18126047）

作者簡介：謝肖禮（1963—），男，研究員，博士生導師，主要從事橋梁結構新體系研究，e-mail：guxiexiaoli@126.com。

*通信作者：中文通信作者龐木林（1994—），男，博士研究生，研究方向為結構安全性及橋梁結構新體系，e-mail：957604200@qq.com。