增大截面法加固雙曲拱橋主拱肋澆筑順序?qū)Ρ确治鲅芯?/h1>
2015-10-21 18:59唐登波
科技與企業(yè) 2015年15期
唐登波
【摘要】本文以一四跨連拱雙曲拱橋加固工程為背景，運用midas/civil建立有限元計算模型，通過4個外包混凝土澆筑方案對比分析，對其加固過程受力開展分析研究，研究表明：減少澆筑節(jié)段長度并按照從拱腳到拱頂?shù)臐仓樞颍軠p少拱頂?shù)南聯(lián)?；在截面下緣外包混凝土加固可改善原拱肋拱頂?shù)氖芰顩r，但也導(dǎo)致拱腳直至四分點附近受力狀況的惡化，建議在設(shè)計時，應(yīng)該按照舊有拱肋、加固拱肋兩部分分別進(jìn)行極限狀態(tài)分析，以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。
【關(guān)鍵詞】雙曲拱橋；加固；增大截面法；施工順序；有限元分析
引言
拱肋是雙曲拱橋最重要的承重構(gòu)件，采用在截面下緣外包混凝土加強(qiáng)拱肋是雙曲拱橋加固最常用的方法，可提高橋梁承載能力和剛度。目前，針對增大截面法，國內(nèi)學(xué)者研究主要集中在加固效果評價及施工工藝，對加固過程施工力學(xué)研究較少，而對于拱橋，加固施工過程對成橋后受力有較大影響，研究澆筑方案對加固施工力學(xué)特性影響很有必要。
本文以一座四跨連拱雙曲拱橋加固工程為工程背景，采用MIDAS/Civil進(jìn)行加固施工仿真分析，探討外包混凝土增大截面法加固施工力學(xué)特性，為類似拱橋加固提供參考。
1、工程概況
某四跨連拱雙曲拱橋位于湖南懷化，單孔凈跨徑50m，矢跨比1/8，主拱圈采用等截面懸鏈線無鉸拱，拱軸系數(shù)m=2.814。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用漿砌片石，基礎(chǔ)均坐落于石砂巖上。主要病害為：拱波順橋向開裂（共21處）、橫系梁豎向貫通開裂（45處）；腹拱開裂（17處）等。
為確保橋梁繼續(xù)安全運營，對該橋進(jìn)行外包混凝土增大截面法加固，要求加固后荷載等級為公路-Ⅱ級，加固施工流程為：封閉交通，拆除橋面橋面系→搭設(shè)施工吊架平臺，修補(bǔ)表面缺陷與裂縫→主拱圈植筋，澆筑拱肋，并澆筑相應(yīng)區(qū)間橫系梁與加強(qiáng)塊→3cm高性能聚合物砂漿抹面→側(cè)墻、立柱抹面→重建橋面系。
2、加固方案
2.1有限元分析模型
運用MIDAS/Civil建立加固施工階段分析單拱肋桿系模型，外包混凝土加固采用“施工階段聯(lián)合截面”，真實模擬加固過程中各施工荷載（含混凝土收縮徐變）作用下拱圈截面受力。計算模型如下圖：
2.2拱肋外包混凝土澆筑方案比選
拱結(jié)構(gòu)加載需要遵循“對稱、均衡”原則，為便于施工，跨內(nèi)拱肋采用分段澆筑，根據(jù)該橋特點，為探討分段外包混凝土澆筑方案對拱肋結(jié)構(gòu)的影響，初步擬定4個澆筑方案如下表所示。
3、計算結(jié)果分析
為便于對比分析，本文僅考慮施工荷載，如混凝土自重、收縮徐變等，并計算到加固成橋時刻，計算結(jié)果取關(guān)鍵截面內(nèi)力（撓度）的時間歷程及關(guān)鍵截面成橋時刻內(nèi)力（撓度）值。
3.1支反力結(jié)果對比
按照擬定拱肋外包混凝土澆筑方案，得到各個方案在加固后的支反力增量，見表3-1。表中數(shù)據(jù)為正表示反力增大，數(shù)據(jù)為負(fù)表示反力減少。各表格中從上到下按照“0#臺起拱線→1#墩底→…→4#臺起拱線”列出其支反力的變化。
從上表可知，加固后由于增加結(jié)構(gòu)自重，豎向反力均增大約10%，而水平推力與彎矩則有增有減，規(guī)律性不強(qiáng)。通過四種方案對比可知，澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)支點反力影響很小。
3.2施工過程原拱肋內(nèi)力對比
加固過程中，原拱肋一直處于受力狀態(tài)。以下對比原拱肋關(guān)鍵截面在施工過程中的內(nèi)力變化，以分析不同澆筑順序?qū)υ袄叩氖芰τ绊?。下圖中，“Nd-1”表示方案1下拱頂軸力，“N1/4-1”表示方案1下四分點軸力，“Nj-1”表示方案1下拱腳軸力；“Md-1”表示方案1下拱頂彎矩，“M1/4-1”表示方案1下四分點彎矩，“Mj-1”表示方案1下拱腳彎矩。
從圖3-1、3-2可知，外包混凝土拱肋劃分節(jié)段越多，則施工順序?qū)袄呤芰τ绊懺叫?，在澆筑拱肋過程中，拱肋軸力、彎矩變化幅度不大，而拱上填料的拆除、換填對拱肋受力的影響較大。四種澆筑順序均可以使得拱腳軸力增大約20%，拱腳彎矩增大333%～406%，四分點軸力減少約4%～21%，四分點彎矩增大29%～45%，拱頂軸力增大0%～2%，拱頂彎矩減少98%～113%。
采用增大截面法加固的方案，對原拱頂受力有利；但同時加大原拱腳、四分點拱肋受力，并增大其軸力偏心距，對原拱肋受力不利。
3.3施工過程后澆馬蹄內(nèi)力對比
以下對比后澆馬蹄關(guān)鍵截面在施工過程中的內(nèi)力變化，以分析不同澆筑順序?qū)鬂柴R蹄的受力影響。下圖中，“Nd-1”表示方案1下拱頂軸力，“N1/4-1”表示方案1下四分點軸力，“Nj-1”表示方案1下拱腳軸力；“Md-1”表示方案1下拱頂彎矩，“M1/4-1”表示方案1下四分點彎矩，“Mj-1”表示方案1下拱腳彎矩。
從圖3-3、圖3-4可知，拱肋外包混凝土澆筑過程中，各方案中加固部分彎矩增加幅度不大，而加固軸力則有所增加，一旦重新架設(shè)拱上結(jié)構(gòu)，則彎矩、軸力均大幅變化。對于彎矩而言，拱腳加固部分均承受72kN·m～83kN·m（正彎矩、下緣受拉），四分點附近加固部分則承受-28kN·m～-48kN·m（負(fù)彎矩、上緣受拉），拱頂加固部分承受90kN·m～102kN·m（正彎矩、下緣受拉）；對于軸力而言，拱腳加固部分軸力值為674kN～943kN（拉力），四分點加固部分軸力值為-1309kN～-1551kN（壓力），拱頂加固部分軸力值為-347kN～-368kN（壓力）。
采用增大截面法加固的方案，加固部分拱肋僅僅承受很小一部分內(nèi)力，其數(shù)值約為舊有拱肋受力的10%～30%。同時對于拱腳截面，加固部分承受拉力，應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計驗算。
3.4施工過程拱肋變形對比
變形反映拱肋剛度的變化，以下列出施工過程中拱頂撓度變化曲線。圖中橫軸表示各個施工階段，豎軸表示拱頂位移累計下?lián)狭浚蚍桨?、方案2在拱肋澆筑時分段較少，因而其曲線長度較短。
從圖3-5中可知，拆除橋面系后，拱頂上撓+68mm，占加固前拱肋下?lián)狭康?0%，拱上建筑恒載對拱肋受力的影響大，控制拱上建筑恒載對控制拱頂下?lián)弦饬x重大。隨著拱肋加固截面的不斷澆筑成型，拱頂持續(xù)下?lián)?，最終方案1下?lián)狭繛?112mm，方案2的下?lián)狭繛?132mm，方案3下?lián)狭繛?107mm，方案4下?lián)狭繛?130mm。比對方案1、2（方案3、4）可知，先拱腳到拱頂?shù)臐仓樞蚬绊斚聯(lián)陷^少，對結(jié)構(gòu)有利。對比方案1、3可知，現(xiàn)澆拱肋節(jié)段劃分的越細(xì)，則對下?lián)显叫?，其撓度變化幅度越小，對拱肋結(jié)構(gòu)越有利。
4、結(jié)論
本文以增大截面法加固某四跨連拱雙曲拱橋為工程背景，建立彈性有限元模型，通過對四種拱肋外包混凝土澆筑方案的仿真分析，得到如下結(jié)論：
（1）采用增大截面法加固時，應(yīng)分別原拱肋、加固拱肋進(jìn)行極限狀態(tài)驗算才能確保結(jié)構(gòu)安全。且不論采用何種拱肋澆筑方案，加固部分拱肋受力嚴(yán)重滯后于原有拱肋，加固部分拱肋甚至承受拉力，且原有拱肋、四分點軸力減少、彎矩增大，其受力較加固前更為不利。
（2）若以控制拱頂下?lián)蠟槟康?，建議施工過程中按照“由拱腳到拱頂”的順序?qū)ΨQ澆筑，且盡可能多劃分幾個澆筑節(jié)段。
（3）對于增大截面法加固的設(shè)計理念，拱頂加固截面位于受拉區(qū)，能改善原拱肋受力情況，但對于拱腳（四分點）等位置，若加固截面則位于受壓區(qū)，則惡化了原有拱肋的受力，基于此，增大截面法加固應(yīng)該結(jié)合原有拱肋的受力，使得加固部分位于原截面受拉區(qū)，以改善原拱肋的承載狀況。
（4）拱上建筑的卸載、加載對拱肋受力影響極大，加固設(shè)計時，建議采用輕型填料結(jié)合精細(xì)化施工，改善拱肋的受力。
參考文獻(xiàn)
[1]肖航.采用增大截面法加固鋼筋混凝土雙曲拱橋的參數(shù)研究[D].西華大學(xué)，2013.
[2]李吉勇.增大截面法加固雙曲拱橋的仿真分析[D].蘭州理工大學(xué)，2013.
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【關(guān)鍵詞】雙曲拱橋；加固；增大截面法；施工順序；有限元分析
引言
拱肋是雙曲拱橋最重要的承重構(gòu)件，采用在截面下緣外包混凝土加強(qiáng)拱肋是雙曲拱橋加固最常用的方法，可提高橋梁承載能力和剛度。目前，針對增大截面法，國內(nèi)學(xué)者研究主要集中在加固效果評價及施工工藝，對加固過程施工力學(xué)研究較少，而對于拱橋，加固施工過程對成橋后受力有較大影響，研究澆筑方案對加固施工力學(xué)特性影響很有必要。
本文以一座四跨連拱雙曲拱橋加固工程為工程背景，采用MIDAS/Civil進(jìn)行加固施工仿真分析，探討外包混凝土增大截面法加固施工力學(xué)特性，為類似拱橋加固提供參考。
1、工程概況
某四跨連拱雙曲拱橋位于湖南懷化，單孔凈跨徑50m，矢跨比1/8，主拱圈采用等截面懸鏈線無鉸拱，拱軸系數(shù)m=2.814。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用漿砌片石，基礎(chǔ)均坐落于石砂巖上。主要病害為：拱波順橋向開裂（共21處）、橫系梁豎向貫通開裂（45處）；腹拱開裂（17處）等。
為確保橋梁繼續(xù)安全運營，對該橋進(jìn)行外包混凝土增大截面法加固，要求加固后荷載等級為公路-Ⅱ級，加固施工流程為：封閉交通，拆除橋面橋面系→搭設(shè)施工吊架平臺，修補(bǔ)表面缺陷與裂縫→主拱圈植筋，澆筑拱肋，并澆筑相應(yīng)區(qū)間橫系梁與加強(qiáng)塊→3cm高性能聚合物砂漿抹面→側(cè)墻、立柱抹面→重建橋面系。
2、加固方案
2.1有限元分析模型
運用MIDAS/Civil建立加固施工階段分析單拱肋桿系模型，外包混凝土加固采用“施工階段聯(lián)合截面”，真實模擬加固過程中各施工荷載（含混凝土收縮徐變）作用下拱圈截面受力。計算模型如下圖：
2.2拱肋外包混凝土澆筑方案比選
拱結(jié)構(gòu)加載需要遵循“對稱、均衡”原則，為便于施工，跨內(nèi)拱肋采用分段澆筑，根據(jù)該橋特點，為探討分段外包混凝土澆筑方案對拱肋結(jié)構(gòu)的影響，初步擬定4個澆筑方案如下表所示。
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為便于對比分析，本文僅考慮施工荷載，如混凝土自重、收縮徐變等，并計算到加固成橋時刻，計算結(jié)果取關(guān)鍵截面內(nèi)力（撓度）的時間歷程及關(guān)鍵截面成橋時刻內(nèi)力（撓度）值。
3.1支反力結(jié)果對比
按照擬定拱肋外包混凝土澆筑方案，得到各個方案在加固后的支反力增量，見表3-1。表中數(shù)據(jù)為正表示反力增大，數(shù)據(jù)為負(fù)表示反力減少。各表格中從上到下按照“0#臺起拱線→1#墩底→…→4#臺起拱線”列出其支反力的變化。
從上表可知，加固后由于增加結(jié)構(gòu)自重，豎向反力均增大約10%，而水平推力與彎矩則有增有減，規(guī)律性不強(qiáng)。通過四種方案對比可知，澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)支點反力影響很小。
3.2施工過程原拱肋內(nèi)力對比
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從圖3-1、3-2可知，外包混凝土拱肋劃分節(jié)段越多，則施工順序?qū)袄呤芰τ绊懺叫?，在澆筑拱肋過程中，拱肋軸力、彎矩變化幅度不大，而拱上填料的拆除、換填對拱肋受力的影響較大。四種澆筑順序均可以使得拱腳軸力增大約20%，拱腳彎矩增大333%～406%，四分點軸力減少約4%～21%，四分點彎矩增大29%～45%，拱頂軸力增大0%～2%，拱頂彎矩減少98%～113%。
采用增大截面法加固的方案，對原拱頂受力有利；但同時加大原拱腳、四分點拱肋受力，并增大其軸力偏心距，對原拱肋受力不利。
3.3施工過程后澆馬蹄內(nèi)力對比
以下對比后澆馬蹄關(guān)鍵截面在施工過程中的內(nèi)力變化，以分析不同澆筑順序?qū)鬂柴R蹄的受力影響。下圖中，“Nd-1”表示方案1下拱頂軸力，“N1/4-1”表示方案1下四分點軸力，“Nj-1”表示方案1下拱腳軸力；“Md-1”表示方案1下拱頂彎矩，“M1/4-1”表示方案1下四分點彎矩，“Mj-1”表示方案1下拱腳彎矩。
從圖3-3、圖3-4可知，拱肋外包混凝土澆筑過程中，各方案中加固部分彎矩增加幅度不大，而加固軸力則有所增加，一旦重新架設(shè)拱上結(jié)構(gòu)，則彎矩、軸力均大幅變化。對于彎矩而言，拱腳加固部分均承受72kN·m～83kN·m（正彎矩、下緣受拉），四分點附近加固部分則承受-28kN·m～-48kN·m（負(fù)彎矩、上緣受拉），拱頂加固部分承受90kN·m～102kN·m（正彎矩、下緣受拉）；對于軸力而言，拱腳加固部分軸力值為674kN～943kN（拉力），四分點加固部分軸力值為-1309kN～-1551kN（壓力），拱頂加固部分軸力值為-347kN～-368kN（壓力）。
采用增大截面法加固的方案，加固部分拱肋僅僅承受很小一部分內(nèi)力，其數(shù)值約為舊有拱肋受力的10%～30%。同時對于拱腳截面，加固部分承受拉力，應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計驗算。
3.4施工過程拱肋變形對比
變形反映拱肋剛度的變化，以下列出施工過程中拱頂撓度變化曲線。圖中橫軸表示各個施工階段，豎軸表示拱頂位移累計下?lián)狭浚蚍桨?、方案2在拱肋澆筑時分段較少，因而其曲線長度較短。
從圖3-5中可知，拆除橋面系后，拱頂上撓+68mm，占加固前拱肋下?lián)狭康?0%，拱上建筑恒載對拱肋受力的影響大，控制拱上建筑恒載對控制拱頂下?lián)弦饬x重大。隨著拱肋加固截面的不斷澆筑成型，拱頂持續(xù)下?lián)?，最終方案1下?lián)狭繛?112mm，方案2的下?lián)狭繛?132mm，方案3下?lián)狭繛?107mm，方案4下?lián)狭繛?130mm。比對方案1、2（方案3、4）可知，先拱腳到拱頂?shù)臐仓樞蚬绊斚聯(lián)陷^少，對結(jié)構(gòu)有利。對比方案1、3可知，現(xiàn)澆拱肋節(jié)段劃分的越細(xì)，則對下?lián)显叫?，其撓度變化幅度越小，對拱肋結(jié)構(gòu)越有利。
4、結(jié)論
本文以增大截面法加固某四跨連拱雙曲拱橋為工程背景，建立彈性有限元模型，通過對四種拱肋外包混凝土澆筑方案的仿真分析，得到如下結(jié)論：
（1）采用增大截面法加固時，應(yīng)分別原拱肋、加固拱肋進(jìn)行極限狀態(tài)驗算才能確保結(jié)構(gòu)安全。且不論采用何種拱肋澆筑方案，加固部分拱肋受力嚴(yán)重滯后于原有拱肋，加固部分拱肋甚至承受拉力，且原有拱肋、四分點軸力減少、彎矩增大，其受力較加固前更為不利。
（2）若以控制拱頂下?lián)蠟槟康?，建議施工過程中按照“由拱腳到拱頂”的順序?qū)ΨQ澆筑，且盡可能多劃分幾個澆筑節(jié)段。
（3）對于增大截面法加固的設(shè)計理念，拱頂加固截面位于受拉區(qū)，能改善原拱肋受力情況，但對于拱腳（四分點）等位置，若加固截面則位于受壓區(qū)，則惡化了原有拱肋的受力，基于此，增大截面法加固應(yīng)該結(jié)合原有拱肋的受力，使得加固部分位于原截面受拉區(qū)，以改善原拱肋的承載狀況。
（4）拱上建筑的卸載、加載對拱肋受力影響極大，加固設(shè)計時，建議采用輕型填料結(jié)合精細(xì)化施工，改善拱肋的受力。
參考文獻(xiàn)
[1]肖航.采用增大截面法加固鋼筋混凝土雙曲拱橋的參數(shù)研究[D].西華大學(xué)，2013.
[2]李吉勇.增大截面法加固雙曲拱橋的仿真分析[D].蘭州理工大學(xué)，2013.
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