既有公路鋼筋混凝土雙曲拱橋加固研究

余學(xué)清

福州市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 福州 350002

隨著交通量和交通車輛荷載在不斷增加，大量在役的雙曲拱橋都出現(xiàn)了不同程度和類型的病害，嚴(yán)重影響了行車安全［1］。而我國公路交通系統(tǒng)上目前仍有大量在役的雙曲拱橋，如果對(duì)這些雙曲拱橋進(jìn)行加固改造，提高其承載能力，延長使用壽命，則有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。因此，對(duì)在役公路雙曲拱橋的加固改造研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。目前雙曲拱橋常見的加固方法有：增大截面法、粘貼加固法、增加橫向聯(lián)系法等。但大部分的研究成果是針對(duì)實(shí)際獨(dú)立的工程，還沒有形成系統(tǒng)的計(jì)算分析，各種加固方法的加固機(jī)理也沒有上升到理論性的研究階段。以下就針對(duì)增大截面加固法進(jìn)行闡述。

1 既有雙曲拱橋結(jié)構(gòu)性能分析

陀市橋全長175m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為5 跨鋼筋混凝土雙曲拱橋結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車-10 級(jí)，履帶-50。經(jīng)橋梁檢測發(fā)現(xiàn)舊橋拱肋出現(xiàn)徑向裂縫，實(shí)腹段拱肋與側(cè)墻結(jié)合處出現(xiàn)平行于拱軸線的環(huán)形裂縫等病害，該橋原橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為四類，需要進(jìn)行加固維修。

為全面了解該雙曲拱橋在加固維修前的結(jié)構(gòu)性能，為后續(xù)加固提供科學(xué)依據(jù)，通過建立其結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行數(shù)值仿真分析。加固前的陀市橋全橋結(jié)構(gòu)采用平面桿系模型來模擬：將主拱圈視為一個(gè)整體，并采用彈性平面梁單元模擬，忽略橫系梁的作用；橋面板和重力式橋墩均采用彈性平面梁單元模擬。

從彎矩、軸力、應(yīng)力以及撓度等方面分析主拱圈關(guān)鍵截面的受力和變形。荷載工況的組合系數(shù)按照規(guī)范［2］要求，對(duì)于公路Ⅱ級(jí)，安全系數(shù)取1.0，恒載取1.2，車輛荷載取1.4。由于按影響線加載時(shí)，車輛荷載分別加載在影響線正值區(qū)和負(fù)值區(qū)，因此，相應(yīng)的荷載工況的有兩種：工況一：1.2 恒載+1.4 汽車max，max 代表在影響線的正值區(qū)加載；工況二：1.2 恒載+1.4 汽車min，min 代表在影響線的負(fù)值區(qū)加載。

通過有限元模型計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行驗(yàn)算，得到γNd=15039kN<52744kN，說明原橋主拱圈截面的抗壓強(qiáng)度滿足要求；γMd=2629kN?m ＞2029kN?m，可見原橋主拱圈的拱頂截面不滿足正截面受彎承載力要求。拱腳截面的最大壓應(yīng)力為12.70MPa，已接近C30 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（13.8MPa）；拱頂截面的最大拉應(yīng)力為3.77MPa，為C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.39MPa）的171%，說明原橋主拱圈結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已經(jīng)不滿足要求。原橋主拱圈的最大撓度為15mm，發(fā)生在中跨的拱頂截面處。拱橋正負(fù)撓度的絕對(duì)值之和應(yīng)小于跨徑的1/1000，而15/30000=1/2000<1/1000，因此，原橋主拱圈剛度滿足規(guī)范要求。

按公路Ⅱ級(jí)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提載，該橋主拱圈剛度可滿足要求，但其承載力不滿足要求。

2 增大截面法加固既有雙曲拱橋設(shè)計(jì)方案

2.1 增大截面法加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)該橋?qū)嶋H存在的病害情況，提出采用增大截面法對(duì)該橋的主拱圈進(jìn)行加固，同時(shí)拆除拱上結(jié)構(gòu)，進(jìn)行重建。加固改造方案為：對(duì)原有拱圈采用增大截面法將原雙曲拱改造為箱形拱，并將原拱式腹孔的拱上建筑改造為輕型立柱，以減少拱上建筑物的自重，抵消因拱圈加大截面所增加的自重。拱座以下的墩臺(tái)、基礎(chǔ)部分保持不變。

圖1 加固改造后結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：cm）

2.2 加固方案有限元仿真分析

對(duì)加固改造后的陀市橋，采用多層梁格法［2］建立其全橋結(jié)構(gòu)的空間桿系模型。在對(duì)加固后的主拱圈截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算時(shí)，仍偏保守地將主拱圈結(jié)構(gòu)視為素混凝土結(jié)構(gòu)，并按圬工橋涵規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。分別采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和容許應(yīng)力法，對(duì)加固后的主拱圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

通過有限元模型計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行驗(yàn)算，γNd=10557kN<64832kN，說明經(jīng)增大截面法加固后，主拱圈截面的抗壓強(qiáng)度可滿足要求。γMd=3035kN?m <23697kN?m，可見經(jīng)增大截面法加固后，主拱圈的拱頂截面已經(jīng)滿足正截面受彎承載力要求。拱腳截面最大壓應(yīng)力為4.57MPa，遠(yuǎn)小于C30 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（13.8MPa）；最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在拱腳截面，其值為0.95MPa，也小于C30 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.39MPa）；這說明經(jīng)增大截面法加固后，新橋主拱圈結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求［3］。

經(jīng)增大截面法加固后，新橋主拱圈的最大撓度為6mm，發(fā)生在中跨的拱頂截面處。拱橋正負(fù)撓度的絕對(duì)值之和應(yīng)小于跨徑的1/1000，而6/30000=1/5000<1/1000，因此，新橋主拱圈剛度滿足規(guī)范要求。

2.3 加固方案有效性分析

表1 中列出了加固前、后陀市橋主拱圈控制截面最大內(nèi)力和最大應(yīng)力的比較情況，其中，相對(duì)值為加固后的內(nèi)力或應(yīng)力與加固前的內(nèi)力或應(yīng)力之相對(duì)比值。可見，本文針對(duì)陀市橋所提出的增大截面法加固改造設(shè)計(jì)方案可有效提高橋梁的承載能力和剛度。

表1 加固前后主拱圈控制截面的最大內(nèi)力和最大應(yīng)力比較

3 結(jié)語

本文以連江縣陀市雙曲拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，?cè)重探討了采用增大截面加固法加固既有公路雙曲拱橋的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)，并總結(jié)得到了以下主要結(jié)論：

（1）基于平面桿系有限元模型的數(shù)值分析結(jié)果表明，按公路Ⅱ級(jí)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提載，未加固之前陀市橋主拱圈剛度可滿足要求，但其承載力不滿足要求。

（2）對(duì)存在結(jié)構(gòu)病害且需要提載的既有公路雙曲拱橋，可采用增大截面加固法將主拱圈由雙曲拱加固改造為箱形拱，從而達(dá)到消除結(jié)構(gòu)病害和提載的雙重目標(biāo)。

（3）基于空間桿系有限元模型的數(shù)值分析結(jié)果表明，加固改造后的橋梁滿足按公路Ⅱ級(jí)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)提載后的承載力和剛度要求，技術(shù)上可行。

（4）對(duì)加固前后全橋結(jié)構(gòu)受力性能的有限元分析表明，采用增大截面法加固既有公路雙曲拱橋，可有效提高橋梁的承載能力和剛度。