雙曲拱橋加固及靜動(dòng)載檢測數(shù)值模擬研究

王大剛

（中國電子工程設(shè)計(jì)院,北京100142）

雙曲拱橋加固及靜動(dòng)載檢測數(shù)值模擬研究

王大剛

（中國電子工程設(shè)計(jì)院,北京100142）

針對(duì)雙曲拱橋損壞現(xiàn)狀，提出主拱圈加固采用錨噴技術(shù)，并將拱型結(jié)構(gòu)變成箱型結(jié)構(gòu)的加固方案，采用有限元分析方法對(duì)加固后雙曲拱橋進(jìn)行了動(dòng)靜力響應(yīng)分析，并進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,靜荷載為40t、35t、30t條件下，相關(guān)撓度為46%～65.3%、28%～62.4%、52.8%～61.7%；行車速度為22km/h、26km/h和32km/h，相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.084、1.165和1.181；分析撓度和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布規(guī)律可知，本次加固后橋梁整體穩(wěn)定性和剛度較好，安全度較高；評(píng)定加固后的橋梁承載性能，為雙曲拱橋維修加固提供了可靠參考。

雙曲拱橋；加固；靜動(dòng)載；數(shù)值模擬

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.029

1 引言

雙曲拱橋是我國自行設(shè)計(jì)建造的一種橋型，已有數(shù)十年歷史，由于其具有較好的受力性能和承載能力，因此在中小橋中得到廣泛采用。雙曲拱橋的主要組成部分包括拱波、拱板、拱肋和橫向隔板等，由于雙曲拱橋具有化整為零的施工特點(diǎn)，因此不需大型施工設(shè)備。雙曲拱橋具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省建筑材料和具有較大橋下凈空等特點(diǎn)，但由于設(shè)計(jì)建造時(shí)間較早，因此存在較多問題，如結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低、抗震性能較低和抗疲勞破壞能力較差等，因此在當(dāng)前繁重交通荷載作用下，出現(xiàn)了不同程度的病害，其中一部分病害較為嚴(yán)重，部分喪失或全部喪失繼續(xù)承載能力，因此不得不對(duì)其進(jìn)行加固處理。

雙曲拱橋的病害主要有上部結(jié)構(gòu)病害和下部結(jié)構(gòu)病害。上部結(jié)構(gòu)病害主要包括：（1）由于建造時(shí)期用鋼量不足，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)延性較差，造成拱波的縱向開裂；（2）雙曲拱橋橫隔板厚度和剛度不足，造成橋梁整體穩(wěn)定性較差，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而引起拱波裂縫。下部結(jié)構(gòu)病害主要包括：（1）建造時(shí)期混凝土強(qiáng)度不足，在長期處于外界條件下發(fā)生碳化反應(yīng)，造成橋梁耐久性不足，以至于鋼筋銹蝕，拱腳處裂縫較多；（2）建造時(shí)期，由于施工能力有限，造成基礎(chǔ)淺埋，基礎(chǔ)淺埋會(huì)發(fā)生地基承載力不足的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生不均勻沉降，造成橋梁開裂。

經(jīng)過多年使用，現(xiàn)役大量雙曲拱橋呈現(xiàn)出不同程度的損壞，對(duì)交通安全造成較大隱患[1～4]。本文根據(jù)實(shí)際調(diào)查，采用合適的加固方法和施工工藝，進(jìn)行全橋靜、動(dòng)載作用下橋梁仿真模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)定加固后的橋梁承載性能，為雙曲拱橋維修加固提供可靠參考。

2 主拱圈加固方案

施工技術(shù)依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[5]規(guī)定。針對(duì)雙曲拱橋主要損壞部位主拱圈，采用錨噴技術(shù)進(jìn)行加固，擬在拱肋底部處施工增設(shè)14cm的混凝土板，并將其澆筑成整體，以增加其整體剛度和穩(wěn)定性，采用箱型結(jié)構(gòu)替換原來拱型結(jié)構(gòu)，調(diào)整后的橋梁拱圈截面圖如圖1所示。

圖1 加固后的主拱圈截面（單位：cm）

3 靜載試驗(yàn)

3.1 測試截面和工況布置

根據(jù)外觀普查結(jié)合橋梁荷載試驗(yàn)要求，選擇第2孔作為荷載試驗(yàn)孔。加載數(shù)值分別為30t、35t、40t，加載位置分別為拱腳、1/4跨和跨中。

3.2 靜荷載條件下數(shù)值計(jì)算

為了驗(yàn)證上述加固后橋梁整體穩(wěn)定性和安全性，對(duì)橋梁整體進(jìn)行數(shù)值模擬。在本次數(shù)值計(jì)算中，鋼筋混凝土材料采用SOLID65單元進(jìn)行模擬，其他部位采用SOUD95單元進(jìn)行分析，建立三維數(shù)值模擬。本次數(shù)值模擬共劃分81526個(gè)三維實(shí)體單元和56648個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中鋼筋結(jié)構(gòu)單元共18862個(gè)。本次數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格如圖2所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 變形分析

為了驗(yàn)證加固效果和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將不同截面撓度變形的理論值和監(jiān)測值進(jìn)行對(duì)比分析。

在分別40t、35t、30t靜荷載條件下，不同實(shí)測斷面，不同荷載作用條件下，撓度校驗(yàn)系數(shù)值分別在46%～65.3%、28% ～62.4%、52.8%～61.7%之間，滿足相關(guān)規(guī)范要求[5]。不同荷載作用、不同截面條件下，結(jié)構(gòu)部件相對(duì)殘余應(yīng)變都較小，符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，表明加固后拱橋工作性能和整體穩(wěn)定性都較好。

圖2 結(jié)構(gòu)單元離散圖

3.3.2 應(yīng)變分析

在試驗(yàn)荷載作用和有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬情況下，對(duì)偏載拱腳截面、偏載1/4截面、偏載拱頂截面中載拱腳截面、中載1/4截面、中載拱頂截面進(jìn)行應(yīng)變理論值和實(shí)測值的校核。

在40t、35t、30t荷載作用下，各測試截面各工況應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)值分別在29.8%～98.2%、31.8%～101.2%、68.9%～101.9%之間，可以得到不同截面條件下應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)，與相關(guān)規(guī)范比較可知，滿足強(qiáng)制性要求[6]。試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明：相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的殘余應(yīng)變小于規(guī)范規(guī)定的20%，表明加固后拱橋工作性能較好。

4 動(dòng)載現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 自振頻率

4.1.1 振型比較

通過ANSYS模擬得到前三階振型中第一階振型實(shí)測值2.930，計(jì)算值為6.107；第二階振型實(shí)測值5.423，計(jì)算值為8.181；第三階振型實(shí)測值6.039，計(jì)算值為8.820。由上述數(shù)據(jù)可以看出：第一階振型數(shù)值最小，第三階振型數(shù)值最大；第一階振型計(jì)算值與實(shí)際值相差最大，第三階振型計(jì)算值與實(shí)際值相差最小，表明對(duì)第一階振型計(jì)算時(shí)考慮影響因素不足，造成誤差較大。

4.1.2 自振頻率比較

靜動(dòng)荷載現(xiàn)場試驗(yàn)條件下，得到的拱橋頻譜圖如圖3、圖4所示。經(jīng)傅里葉變換及相關(guān)處理可以得到上部結(jié)構(gòu)前三階頻率實(shí)測值。結(jié)合圖3和圖4可以看出：在荷載作用前期，振動(dòng)幅值變化較?。浑S著時(shí)間增長，振動(dòng)幅值變大，表明振動(dòng)幅值與時(shí)間有關(guān)。

圖3 跨中實(shí)測基頻自譜分析

圖4 20km/h跑車跨中強(qiáng)迫振動(dòng)

4.2 強(qiáng)迫振動(dòng)

4.2.1 強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)程曲線

圖5 30km/h跑車跨中強(qiáng)迫振動(dòng)

4.2.2 沖擊系數(shù)

對(duì)加固后拱橋進(jìn)行了動(dòng)荷載條件下現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了預(yù)定斷面的動(dòng)撓度，將其與靜荷載作用下?lián)隙葘?duì)比分析可知：行車速度為22 km/h：相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.084；行車速度為26km/h：相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.165；行車速度為32km/h：相應(yīng)沖擊系數(shù)為1.181；較理論值偏小。上述結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算簡化了模型復(fù)雜程度，因此,計(jì)算得到的自振頻率小于實(shí)測結(jié)果，且沖擊系數(shù)也小于實(shí)測結(jié)果，這表明結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。

圖6 40km/h跑車跨中強(qiáng)迫振動(dòng)

5 結(jié)論

1）采用有限元軟件ANSYS對(duì)加固后拱橋進(jìn)行了動(dòng)靜力響應(yīng)分析，得到了材料非線性條件下加固后拱橋自振頻率、振形等數(shù)據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明數(shù)值模擬可以較好模擬拱橋結(jié)構(gòu)受力特性；

2）由靜動(dòng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析拱橋上部結(jié)構(gòu)撓度變化規(guī)律和應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)分布規(guī)律可知，本次加固后橋梁整體穩(wěn)定性和剛度較好，安全度較高；

3）數(shù)值計(jì)算簡化了模型復(fù)雜程度，因此計(jì)算得到的自振頻率小于實(shí)測結(jié)果，且沖擊系數(shù)也小于實(shí)測結(jié)果，這表明結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好。

【1】GB 50086—2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

【2】王國鼎,鐘圣斌.拱橋（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2000.

【3】朱宏軍,程海麗,姜德民.特種混凝土和新型混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

【4】張勁泉,魏洪昌,徐岳等.公路舊橋加固成套技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京:人民交通出版社,2007.

【5】JTG/TF 50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

【6】交通部.公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）[Z].1988

Study on Reinforcement and Satic-dynamic Load Test of Double Curved Arch Bridge

WANG Da-gang
（ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute，Beijing 100142,China）

Aimingatthedamagestatusofdoublecurvedarchbridge,themainarchreinforcedbyshotcretetechnology,thereinforcement schemeofthearchstructureintoboxstructure,finiteelement analysismethodisusedto analyzethedynamicresponseofthe double curved archbridge.Staticanddynamicloadtestswerecarriedoutonthebridge,thecalculationresultsandfieldtestdatawerecomparedandanalyzed. The results show that:The static load is 40t,35t,30t conditions,the relevant deflection is 46%～65.3%,28%～62.4%,52.8%～61.7%.The drivingspeedis22km/h,26km/hand32km/h,thecorrespondingimpactcoefficientwas1.084,1.165and1.181.Analysisofdeflectionand straindistributionofthecalibrationcoefficient,theoverallstabilityofthebridgereinforcementandgoodstiffness,ahighdegreeofsafety;the performance evaluation ofbridge bearingafterreinforcement,to providea reliable reference forthe maintenance of hyperbolic arch bridge reinforcement.

double-curved arch bridge；reinforce;staticanddynamicload;numerical simulation

U445.7+2;TU441+.2

A

1007-9467（2016）06-0111-03

2016-04-15

王大剛（1977～）,男，黑龍江集賢人，高級(jí)工程師,從事建筑工程設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）44295743@qq.com。