基于有限元的橋梁計(jì)算分析與加固方案設(shè)計(jì)

孫 林, 檀永剛

(大連理工大學(xué) 橋梁工程研究所, 遼寧 大連 116024)

橋梁作為公共交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部分,在我國(guó)有著悠久的歷史.目前我國(guó)橋梁數(shù)量非常龐大,形式多種多樣.據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2012年底,全國(guó)公路橋梁達(dá)71.34萬(wàn)座,3 662.78萬(wàn)米.其中,特大橋2 688座,468.86萬(wàn)米;大橋6 1735座,1 518.16萬(wàn)米.橋梁對(duì)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用[1].

但目前橋梁的運(yùn)營(yíng)狀況卻不容樂(lè)觀,橋梁技術(shù)狀況評(píng)定中,五類橋梁的比例已經(jīng)超過(guò)了3%,三類、四類的橋梁占更多.現(xiàn)役橋梁的病害形式也是多種多樣的,這些病害造成橋梁結(jié)構(gòu)整體安全性下降、結(jié)構(gòu)承載力降低.但出于實(shí)際需要,這些橋梁不能全部重建,人們往往希望對(duì)這些不適合繼續(xù)使用的橋梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),以保證交通的通暢.

因此,如何對(duì)舊橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì),使其恢復(fù)使用功能,提高承載能力、結(jié)構(gòu)安全性及耐久性成為現(xiàn)在一大研究熱點(diǎn).本文根據(jù)一座舊橋的檢測(cè)結(jié)果和Midas/Civil的計(jì)算結(jié)果,提出符合實(shí)際的的加固方案.

1 國(guó)內(nèi)橋梁技術(shù)狀況及加固研究現(xiàn)狀

改革開放以來(lái),我國(guó)交通運(yùn)輸狀況發(fā)生了歷史性變化.近十年來(lái),我國(guó)交通量和車載量迅速增加.為適應(yīng)這種高速發(fā)展的需要,截止2012年底,橋梁總數(shù)已達(dá)70余萬(wàn)座,然而現(xiàn)在的橋梁狀況卻面臨諸多問(wèn)題.公路橋梁的負(fù)荷逐漸加重,舊橋的老化日益嚴(yán)重,但出于實(shí)際需要,很多橋梁仍在繼續(xù)運(yùn)營(yíng),存在著很大的安全隱患.

在我國(guó),一直都很重視對(duì)舊橋的加固技術(shù)方法的研究,并取得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn).20世紀(jì)70年代以來(lái),研究人員針對(duì)20世紀(jì)50—80年代修建的橋梁,在加固方面進(jìn)行了很多研究.橋梁加固技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展后,隨著橋梁檢測(cè)、評(píng)定技術(shù)的逐漸成熟,橋梁的維修加固技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展,出現(xiàn)了很多新的加固方法.

2 加固基本原則與加固設(shè)計(jì)程序

進(jìn)行橋梁加固設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)以原橋梁的竣工圖、設(shè)計(jì)圖和檢測(cè)評(píng)估報(bào)告為依據(jù),并且要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì).加固設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),應(yīng)綜合考慮多方面的影響,如結(jié)構(gòu)病害、材料劣化、新舊材料的結(jié)合性能及材性的差異等,還應(yīng)采用橋梁檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行材料、幾何等參數(shù)的取值;加固設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),應(yīng)對(duì)各施工階段進(jìn)行驗(yàn)算,包括構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形,加固后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算應(yīng)考慮附加載荷,如溫度變化、混凝土收縮及徐變、預(yù)加應(yīng)力、墩臺(tái)位移、安裝應(yīng)力等的影響.

對(duì)橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)步驟:加固工程可行性研究(含估算)→加固方案→初步設(shè)計(jì)(含概算) →加固施工圖設(shè)計(jì)(含預(yù)算).

3 橋梁加固常用方法及其特點(diǎn)簡(jiǎn)述

目前橋梁加固的方法很多,但原理都是一樣的,總體來(lái)說(shuō)都是從兩個(gè)方面對(duì)橋梁進(jìn)行加固改造,即內(nèi)在因素和外在因素.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的加固方法有:增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、外部預(yù)應(yīng)力法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等[2].

3.1 增大截面加固法

由于現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的變更和車輛載荷的增大,當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)的載荷等級(jí)偏低,橋梁結(jié)構(gòu)的承載力已不能滿足現(xiàn)在的通行要求,很多橋梁出現(xiàn)鋼筋太少或橋梁截面尺寸太小等情況.對(duì)于這樣的橋梁,可以采用增大截面法進(jìn)行加固.增大截面加固法主要為了提高原有構(gòu)件的承載力和剛度.

采用此方法加固的橋梁計(jì)算應(yīng)分為新澆混凝土在達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之前和之后兩個(gè)階段,具體方法可參照相應(yīng)規(guī)范.

該方法操作簡(jiǎn)單,但會(huì)增加橋梁自重并影響橋下凈空.

3.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法[3]是指采用膠黏劑將鋼板或型鋼與混凝土粘結(jié),從而使二者整體受力提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載力,同時(shí)抑制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展.

貼鋼鋼板法加固橋梁施工工期短,不影響交通的正常運(yùn)行,能盡可能的保持被加固橋梁的原貌;但該方法對(duì)鋼板的防腐要求和膠黏劑的性能要求較高并且初期效果不明顯.

3.3 粘貼纖維復(fù)合材料加固法

粘貼纖維復(fù)合材料加固[4]是指使用膠黏劑將纖維復(fù)合材料粘貼在結(jié)構(gòu)表面以提高結(jié)構(gòu)承載力的方法.此方法的目的在于提高結(jié)構(gòu)的延性和耐久性.

纖維復(fù)合材料具有很優(yōu)異的物理力學(xué)性能,其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐疲勞等性能非常適合橋梁的加固改造,其施工方法也相對(duì)簡(jiǎn)單快捷,可縮短工期,是橋梁加固改造的理想材料.

3.4 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固法[5]是指通過(guò)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索(鋼絞線、高強(qiáng)鋼絲束或精軋螺紋鋼筋)的方法對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)主動(dòng)施加外力,從而改善原結(jié)構(gòu)的受力狀況.該方法的主要組成部分分為預(yù)應(yīng)力鋼筋(束)、錨固系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向塊或滑塊、水平束減振裝置和梁體.

體外預(yù)應(yīng)力加固法可以有效減小結(jié)構(gòu)的截面,減輕恒載,且體外預(yù)應(yīng)力索容易檢查和更換,摩阻力損失小,但此方法對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的耐火性和耐腐蝕性的要求較高.

3.5 改變體系加固法

改變結(jié)構(gòu)體系加固法[6-7]是通過(guò)改變?cè)Y(jié)構(gòu)的受力體系來(lái)降低截面內(nèi)力,從而提高橋梁結(jié)構(gòu)整體承載能力的一種方法.

該方法對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較大,甚至出現(xiàn)加固后結(jié)構(gòu)內(nèi)力反向的情況.因此,采用改變結(jié)構(gòu)體系加固法應(yīng)持慎重態(tài)度.如需采用,應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)、檢算,并對(duì)加固后結(jié)構(gòu)及相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行全面驗(yàn)算,以確保在加固施工及運(yùn)營(yíng)期間的安全性.

4 工程實(shí)例

大連市勝利橋位于大連西崗區(qū),于1907年建成,至今107年之久.該橋?yàn)榛炷廖蹇邕B續(xù)拱橋,跨徑布置8.3+26.44+25.34+ 26.44+8.3=94.82(m),其中三個(gè)主孔凈跨為22.5 m,橋?qū)?6.5 m,車道寬11.6 m.由于建成年代久遠(yuǎn),年久失修,此橋附屬構(gòu)件和拱圈破損嚴(yán)重.且該橋下跨多條鐵路,該橋的安全使用對(duì)橋下鐵路的正常運(yùn)營(yíng)也非常重要.

該橋梁在運(yùn)營(yíng)100多年后,結(jié)構(gòu)的材料和線型都發(fā)生了改變.在現(xiàn)有線型和材料特性作用下,拱圈結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)不能滿足現(xiàn)有通行要求,已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的鋼筋外露現(xiàn)象和拱底裂縫.在現(xiàn)行載荷作用下,拱橋已無(wú)法滿足使用要求,需要進(jìn)行加固處理[8].

4.1 橋體技術(shù)狀況評(píng)定

該橋總體技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定參照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGH 11—2004 )及《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JJ99—2003)的評(píng)定方法,采用分層法分別對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,綜合得出整個(gè)橋梁技術(shù)狀況評(píng)估.

橋面系技術(shù)狀況采用指數(shù)BCIm表示,根據(jù)橋面鋪裝、排水系統(tǒng)、人行道、欄桿、橋頭平順及伸縮縫等要素的損壞扣除分值,根據(jù)該橋的檢測(cè)結(jié)果得出該橋的BCIm=78.10.

同樣經(jīng)檢測(cè)上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況指數(shù)BCIk=30.08,下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況指數(shù)BCIλ=81.37.

橋梁整體技術(shù)狀況評(píng)定:根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ99—2003),橋梁結(jié)構(gòu)組成部分的權(quán)重分為三部分,橋面系0.15,上部結(jié)構(gòu)0.4,下部結(jié)構(gòu)0.45.

整個(gè)橋梁的技術(shù)狀況指標(biāo)BCI為:

由上可知?jiǎng)倮麡蛘w完好狀況等級(jí)為E,是一座處于危險(xiǎn)狀態(tài)的橋梁.

4.2 有限元數(shù)值計(jì)算分析

(1) 該計(jì)算模型采用梁?jiǎn)卧?節(jié)點(diǎn)數(shù)154,單元數(shù)146,如圖1所示.

圖1 勝利橋計(jì)算模型Fig.1 The model of Shengli Bridge

(2) 經(jīng)計(jì)算,承載力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖2～圖4所示.

(3) 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果如圖5～圖6所示.

在彈性組合作用下,拱圈跨中區(qū)域截面下緣和拱腳處截面上緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力,拱圈拉應(yīng)力極值是材料容許限值的3倍多,拱圈正截面抗裂驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求,需要對(duì)該橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì).

圖2 承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)軸力圖(單位: kN)

圖3 承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)剪力圖(單位: kN)

圖4 承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位: kN·m)

圖5 彈性組合作用下上緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位: MPa)

圖6 彈性組合作用下下緣應(yīng)力包絡(luò)圖(單位: MPa)

5 加固方案

針對(duì)該橋的實(shí)際情況,提出加固方案如下:

(1) 拱底表層處理,具體方法為對(duì)拱底裸露鋼筋進(jìn)行打磨并噴射混凝土層;

(2) 拱圈內(nèi)植筋,植筋的大體位置如圖7所示;

圖7 植筋位置與鋼板形狀圖

(3) 綁扎鋼筋網(wǎng),拱圈內(nèi)的鋼筋植入完成后,在拱圈底層綁扎一層鋼筋網(wǎng);

(4) 吊表層鋼板,鋼板的形狀如圖7所示,與原拱底線性基本一致;

(5) 壓入自流混凝土,壓入的混凝土應(yīng)該有良好的級(jí)配和易性.

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)分層法分別對(duì)橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,確定橋梁完好狀況為E級(jí).同時(shí)運(yùn)用橋梁設(shè)計(jì)通用軟件Midas/Civil對(duì)橋梁當(dāng)前的受力狀況進(jìn)行分析計(jì)算,并提出切實(shí)可行的加固方案.

此加固方案的使用范圍如下:①在現(xiàn)行使用載荷作用下,原橋梁結(jié)構(gòu)的配筋量不足,橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力不滿足通行需要;②原構(gòu)件受拉主鋼筋嚴(yán)重腐蝕或受損甚至出現(xiàn)露筋的現(xiàn)象,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成極大隱患;③原構(gòu)件的剛度和抗裂性不滿足要求.本文討論的方法對(duì)以后此類型橋梁的加固有一定的借鑒意義.

參考文獻(xiàn):

[1]蒙云,盧波. 橋梁加固與改造[M]. 北京:人民交通出版社, 2004.

(Meng Yun, Lu Bo. Bridge Strengthening and Rehabilitation[J].Beijing: People's Communications Press, 2004.)

[2]王亞軍. 橋梁加固方法的對(duì)比分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2004(8):70-73.

(WangYajun. The Comparative Analysis of Bridge Strengthening Method[J]. Communications Standardization, 2004(8):70-73.)

[3]孫寶俊,周國(guó)華. 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)及應(yīng)用綜述[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2001,31(1):109-113.

(Sun Baojun, Zhou Guohua. A Survey on Structural Techniques and Application of External Prestressing [J]. Journal of Southeast University: Natural Science, 2001,31(1):109-113.)

[4]彭華榮. 粘貼鋼板技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用[J]. 山西建筑, 2008,34(4):320-321.

(Peng Huarong. The Application of Bonding Steel Plate Technology in Bridge Strengthening[J]. Shanxi Architecture. 2008,34(4):320-321.)

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

(Yu Tianqing, Jiang Yonghong. Research and Application of Arch Bridge Strengthening Techniques[J]. World Bridges, 2006(1):74-76.)

[6]胡爾華. 橋梁加固的方法探討[J]. 山西科技, 2011,26(1):100-101.

(Hu Erhua. Probes into the Strengthening of Bridges[J]. Shanxi Science and Technology, 2011, 26(1):100-101.)

[7]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社, 2008.

(Ministry of Transport of the People's Republic of China. Specifications for Strengthening Design of Highway Bridges [S]. Beijing: People’s Communications Press, 2008.)

[8]楊春峰,葉文超,吳文輝. 混凝土凍融破壞分析及剩余壽命預(yù)測(cè)[J]. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2013,25(3):238-240.

(Yang Chunfeng,Ye Wenchao, Wu Wenhui. Concrete Freeze-Thaw Damage Analysis and Prediction of Residual Life[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2013,25(3):238-240.)