板桁組合加固改善橋梁結構受力性能設計方法研究

向桂兵,杜晨浩,謝肖禮

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西大學,廣西 南寧 530004)

0 引言

我國擁有超過130萬座在役橋梁,數量之多、規模之大,為世界前列[1]。然而,隨著交通需求和經濟發展增長,現有橋梁承載能力不足、使用壽命縮短[2-3]。傳統的限重、限速等安全措施對當地居民生活和經濟有嚴重影響[4]。因此,加固原有橋梁并提高荷載等級是解決問題的有效方法,符合可持續發展要求,也會帶來巨大的社會經濟效益[5]。

橋梁加固方法包括預應力加固法、構件截面增大法和增加橋墩支撐法。然而,這些方法存在各自的問題。預應力加固法施工難度大、成本高,存在預應力失效風險;構件截面增大法只適用于部分構件,會增加自重;增加橋墩支撐法施工難度大、成本高,影響橋下通航。

為解決這些問題,本文提出了一種新的橋梁加固方案。具體思路是鑿除原有防撞墻,利用預埋鋼筋與桁架下弦桿鋼筋綁扎;鋪設橋面鋼筋網,統一澆筑下弦桿和橋面;將腹桿鋼筋與下弦桿連接并澆筑;將上弦桿鋼筋與腹桿鋼筋連接,形成混凝土桁架、橋面板與原有主梁共同工作的板桁組合結構。這種結構可以更好地承受荷載,增加整體剛性和穩定性,提高橋梁的承載能力和使用壽命。

這種新的加固方案具有明確的力傳遞途徑、易施工、用料省、穩定性好,能夠有效解決現有加固技術面臨的問題,為橋梁加固提供了一種有效方案。

1 板桁組合加固提載設計方法力學原理

板桁組合加固是一種創新的結構加固方法,通過增加板厚度傳遞彎矩和剪力,增設桁架來提高梁的高度,提高結構的剛度、減少變形,顯著提高承載能力。

原有板材只能對抗彎曲力起一定作用,而未充分利用截面軸向剛度。板桁組合加固后,板材成為桁架的下弦桿,引起軸向變形,充分利用了板材的軸向剛度。

通過板桁組合加固,增加板厚度、設置桁架提升整體強度和剛度,承受更大荷載。對于需要提升結構承載能力的工程項目,是有效且經濟的加固手段。

2 案例分析

2.1 結構形式

對某既有橋梁進行加固,其工程概況如下:某既有橋梁為鋼筋混凝土簡支梁橋,跨越一河流,該橋全長46.04 m,橋梁寬度12.01 m。橋梁跨徑為3～10 m梁橋。上部結構為預制簡支空心板梁,下部橋臺為U型重力式橋臺,橋墩為圓柱式墩柱加樁擴大基礎。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝。荷載等級為公路-Ⅱ級。

2.2 病害情況

由于交通荷載不斷增加、不利環境的長期影響,該橋出現了各種損傷與老化,目前出現如下病害:梁板出現較多橫向裂縫;橋臺個別部位表面磨損;粗集料顯露;大范圍混凝土剝落;橋臺出現結構裂縫;橋臺變形失穩。

2.3 加固改造具體實施步驟

采用本文方案對既有橋梁進行加固改造。在桁架下弦桿位置進行預埋鋼筋與桁架下弦桿鋼筋的綁扎,增強結構剛度和強度,有效傳遞和分散荷載,提高承載能力。在整個橋面鋪設鋼筋網,加固橋面鋪裝層,提高剛度和承載能力,延長使用壽命。澆筑混凝土將下弦桿與橋面形成整體,進一步提高剛度和穩定性,以承受更大荷載。采用50°角制作桁架腹桿,腹桿鋼筋綁扎并澆筑混凝土,與下弦桿連接,提高剛度和承載能力。上弦桿與腹桿鋼筋連接,并澆筑混凝土,形成整體。通過這些步驟,提高結構穩定性和承載能力,滿足工程改造目標。為解決橫向裂縫問題,采用環氧砂漿注漿封閉裂縫,阻止其進一步擴展,提高結構穩定性和安全性。通過以上措施對既有橋梁進行改造,提高穩定性、剛度和承載能力,確保安全可靠運行,提供良好通行條件。加固后的橋梁結構及整體布置如圖1～2所示。

圖1 橋梁加固后結構示意圖(cm)

圖2 加固后橋梁整體布置示意圖(cm)

3 有限元仿真模擬

3.1 有限元模型的建立

為研究本文提出的橋梁加固方案有效性,選取原橋三跨中的一跨進行Midas Civil有限元建模分析,對比加固前后的力學指標。建立有限元模型,將鋼筋混凝土填充和素混凝土修復視為與原材料相似。加固前橋梁模型見圖3,加固后橋梁模型見圖4。

圖3 既有橋梁計算模型圖

圖4 加固后橋梁計算模型圖

原橋劃分為548個單元,包括228個梁單元和320個板單元。加固后橋梁劃分為640個單元,包括320個梁單元和320個板單元。邊界條件設置為主梁簡支。移動荷載是主要設計荷載,因為其在實際使用中不斷變化和移動,對結構產生較大影響。因此,在加固后的計算中,仍以移動荷載為主要考慮對象,確保橋梁在實際使用情況下的安全性。

3.2 加固前后強度承載力對比分析

加固前后強度對比分析結果如圖5、圖6所示。在考慮1.5倍活載的情況下,主梁的加固前后的最大正應力分別為6.51 MPa、4.12 MPa;而加固前后的最大負應力分別為3.81 MPa、2.65 MPa。相較于加固前,加固后的主梁最大正應力和負應力分別減小了36.7%、30.45%。

圖5 未加固前既有橋梁應力云圖

由此可見,通過加固措施,主梁的最大應力顯著減小,而加固桁架中的各個桿件的應力均保持在合理的范圍內。這說明本文提出的加固方案在改善結構強度方面取得了良好的效果。

3.3 加固前后剛度對比分析

橋梁加固前后變形情況分別如圖7、圖8所示。在移動荷載作用下,加固前既有橋梁最大下撓為3.62 mm,加固后橋梁最大下撓為1.82 mm,加固后較加固前減少52.23%,表明加固方案成功地增強了橋梁的剛度,有助于延長橋梁的使用壽命和耐久性。

圖8 加固后橋梁豎向變形云圖

3.4 穩定性分析

穩定性是確保結構安全性的關鍵要素。為了保證加固構件的正常工作,確保桁架不會發生失穩破壞,需要對橋梁進行整體穩定性驗算。在經過加固的橋梁中,第一失穩模態中的桁架上弦桿發生了失穩。然而,通過整體穩定性驗算,可以發現橋梁的穩定系數高達347.5,表明其整體穩定性非常出色。在正常使用情況下,桁架結構不會發生失穩現象。因此,加固后的橋梁具有良好的整體穩定性,能夠減少對桁架結構的額外加固和維護工作的需求,結果進一步證明了加固方案的有效性。

3.5 動力特性

自振頻率是結構的固有屬性。本文通過對加固前后結構自振頻率的對比分析,評估剛度改善的程度(見表1)。

表1 前6階自振頻率及振型特征數值表

由表1計算結果可知,使用本文提出的加固方案對某既有橋梁進行加固后,自振頻率提高明顯,其中既有橋梁第一階自振頻率為10.19,加固后橋梁第一階自振頻率為11.94,較加固前提升17.17%。由此可見,加固后橋梁自振頻率顯著提高。

4 結語

本文提出了一種既有橋梁的加固方案,闡述了其結構形式和力學原理,并對某既有橋梁進行加固設計,得出以下結論:

(1)結構強度滿足要求,承載力提升明顯。通過加固措施,在1.5倍活載的作用下,主梁的最大應力顯著減小,較加固前最大應力減少36.7%,橋梁的荷載等級得到了提高。

(2)既有橋梁加固后最大下撓為1.82 mm,相較于加固前減少了52.23%,在橋梁剛度、使用壽命和耐久性方面取得了顯著的效果。

(3)經過驗算,橋梁的穩定系數達到了394.9,表明其整體穩定性非常出色。此外,加固后橋梁的第一階自振頻率提升了17.17%,第二階自振頻率提升了31.64%。這表明加固后的橋梁具有更好的安全性和穩定性。

綜上所述,本文所提出的加固方案效果顯著,能夠大幅提升原有橋梁的承載力和結構整體剛度。此外,加固后的橋梁具有更好的結構穩定性、動力特性和抗震能力,在一定程度上可避免現役舊橋安全事故的發生。