大跨空腹式石拱橋加固實(shí)體數(shù)值分析

宋松科, 熊 倫, 杜桃明

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610017)

在我國(guó)西南地區(qū)，山高谷深、高強(qiáng)度石材豐富，各等級(jí)公路上石拱橋是主要的跨河、跨溝橋梁結(jié)構(gòu)形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，部分地區(qū)石拱橋從數(shù)量上占有90 %以上[1]。但由于大多數(shù)石拱橋于20世紀(jì)八九十年代建造，受經(jīng)濟(jì)和建造技術(shù)手段制約，經(jīng)多年超荷運(yùn)營(yíng)后，各拱橋均出現(xiàn)不同程度的病害，整體性差、承載能力難以滿足現(xiàn)行公路橋涵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以重慶為例，存在病害的橋梁占70 %以上[2]。常見(jiàn)病害主要為主拱圈砌縫大、空洞多、砌石或勾縫料松動(dòng)脫落，主拱變形或開(kāi)裂，拱上側(cè)墻開(kāi)裂、破損或移位，橋臺(tái)基礎(chǔ)局部沖刷、掏空等[3]。而隨著我國(guó)工業(yè)水平提升和國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展，現(xiàn)階段橋梁建造材料多采用鋼筋混凝土、鋼材以及超高性能復(fù)合材料等，石拱橋逐漸成為一種典型時(shí)代的產(chǎn)物，但由于目前在役石拱橋體量大，全部拆除重建對(duì)現(xiàn)有交通干擾大，且不經(jīng)濟(jì)，舊橋加固是現(xiàn)階段切實(shí)可行的過(guò)渡方案。

目前石拱橋常用的加固方法有主拱圈拱腹U型套箍加固法、主拱圈回型套箍加固法、主拱圈錨噴混凝土加固法、拱背加固減載法[4-6]。改變無(wú)鉸拱拱腳約束形式的“釋能”法[7]，以及筋材加固拱腳負(fù)彎矩區(qū)的CFRP(carbon fiber reinforce polymer)法等[8]。對(duì)于中小跨徑石拱橋，采取上述單一加固方案即可增大拱橋?qū)奢d的承載能力，而對(duì)于大跨徑石拱橋，往往單一加固方案對(duì)拱橋承載能力提升有限，需同時(shí)采用上述兩種及其以上方案方可改善拱橋承載能力。目前針對(duì)石拱橋加固方案進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)多采用Midas/civil軟件建立梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，而采用Ansys等實(shí)體單元進(jìn)行模擬研究的較少，本文針對(duì)四川省某省道公路上某大橋采取的綜合加固方案分別進(jìn)行梁?jiǎn)卧?、?shí)體單元數(shù)值模擬對(duì)比分析，探討該橋加固方案的可行性，并提出相應(yīng)具體實(shí)施建議。

1 工程概況及數(shù)值模型

1.1 工程概況

四川省某省道公路上某大橋原設(shè)計(jì)跨徑布置為1-50+1-10 m的空腹式懸鏈線石拱橋，主橋凈跨徑L0=50 m，凈矢高8.31 m，矢跨比約為1/6.02，橋梁總長(zhǎng)82 m，正交，橋面寬度組成為0.45 m(防撞護(hù)欄)+7.6 m(凈寬)+0.45 m(防撞護(hù)欄)=8.5 m(全寬)；主拱圈厚1.2 m，立墻厚0.8 m，拱上共設(shè)8個(gè)腹拱，腹拱凈跨徑3 m，腹拱圈厚0.35 m。橋梁原設(shè)計(jì)荷載為：汽-20、掛車-100；瀝青混凝土橋面鋪裝；主拱、立墻、腹拱采用M10漿砌MU40塊石，無(wú)鉸拱；下部結(jié)構(gòu)為重力式臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)。

根據(jù)該橋檢測(cè)報(bào)告，該橋主拱圈出現(xiàn)豎向裂縫、滲水結(jié)晶、開(kāi)裂破損；拱上結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腹拱開(kāi)裂破損、滲水結(jié)晶、側(cè)墻豎向裂縫、灰縫脫落等；主拱、多數(shù)腹拱承載能力不滿足現(xiàn)行公路荷載要求，技術(shù)狀況評(píng)定為3類，需要對(duì)其進(jìn)行加固處治。

針對(duì)該橋既有病害，采用的加固方案為：對(duì)主拱、側(cè)墻、立墻、墩臺(tái)出現(xiàn)的裂縫及砌縫空洞等病害，灌注環(huán)氧水泥砂漿予以修復(fù)，對(duì)主拱、側(cè)墻、橋墩及橋臺(tái)表層的灰縫脫落采用M10水泥砂漿勾縫處理，同時(shí)清除拱上植物；對(duì)主拱采用拱腹下襯鋼筋混凝土板加固；腹拱以上原有側(cè)墻全部更換為C20素混凝土側(cè)墻；按加固后橋面標(biāo)高同原橋面標(biāo)高的原則，對(duì)主拱上采用C20片石混凝土進(jìn)行回填等重建橋面系。

1.2 有限元模型

根據(jù)圬工橋梁砌體結(jié)構(gòu)特征，選取大型有限元程序Ansys 14.5單元庫(kù)中的SOLID65單元對(duì)該大橋建立實(shí)體單元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，為驗(yàn)證實(shí)體模型計(jì)算準(zhǔn)確性，采用Midas/civil 2017進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，分別建立橋梁加固前后全橋三維模型，對(duì)比分析加固方案的可行性。Ansys模型中，對(duì)于主要分析計(jì)算構(gòu)件，如主拱拱圈、立柱、擋墻、橋臺(tái)、腹拱等采用控制劃分，劃分為六面體單元，而腹拱拱座、引拱拱上填料等采用自由劃分，劃分為四面體單元，全橋共240 721個(gè)單元。Midas軟件模型中橋梁拱軸線采用實(shí)測(cè)線形；主拱圈、立柱以及腹拱圈采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，拱上建筑均以荷載的形式施加于主拱圈及腹拱裸拱上，其中拱上填料按單元梯形荷載模擬，移動(dòng)荷載通過(guò)虛擬車道單元作用于拱上。計(jì)算荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、主拱下襯鋼筋混凝土板收縮、二期恒載、整體溫度荷載以及汽車車道荷載。

1.3 模型驗(yàn)證

大橋加固后結(jié)構(gòu)振型與頻率計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，綜合對(duì)比該橋Midas梁?jiǎn)卧Ｐ团cAnsys實(shí)體單元模型計(jì)算結(jié)果可知，兩模型計(jì)算的大橋1階、2階振型分布形態(tài)基本相似，第一階均為橫橋向水平振動(dòng)，而第二階均為豎向振動(dòng)，且頻率計(jì)算結(jié)果較相近。

同時(shí)，根據(jù)大橋Midas梁?jiǎn)卧Ｐ停诤爿d作用下，主拱圈最大豎向位移為29.8 mm。而由Ansys實(shí)體模型計(jì)算結(jié)果，在恒載作用下，主拱圈豎向最大位移為31 mm，與Midas梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算結(jié)果較一致。

表1 加固后大橋?qū)嶓w單元、梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算的結(jié)構(gòu)振型與頻率

2 加固前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 主拱圈應(yīng)力分析

大橋原橋主拱拱圈在荷載綜合作用下，主拱圈與立墻結(jié)合部位由于應(yīng)力集中，主拉應(yīng)力較大；同時(shí)拱頂?shù)酌妗⒐澳_頂面主拉應(yīng)力也較大，分別為0.65 MPa和1.1 MPa，超過(guò)砌體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。主壓應(yīng)力在拱腳底面達(dá)到6.72 MPa，高于砌體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(表2)。

表2 大橋加固前后主拱主應(yīng)力對(duì)比 MPa

大橋加固前后在荷載作用下的主拱主應(yīng)力對(duì)比詳見(jiàn)表2，可知，在相同荷載作用下，相比于大橋原橋，加固維修方案可降低主拱拱頂截面的主拉應(yīng)力，但改善效果并不顯著；而對(duì)于拱腳截面，加固方案將原橋主壓應(yīng)力由6.72 MPa降低到3.86 MPa，但對(duì)于主拉應(yīng)力，則由原1.1 MPa增加至1.61 MPa，對(duì)于圬工砌體結(jié)構(gòu)，增加主拉應(yīng)力顯然不合適，因此建議將加固方案由拱圈底面增加鋼筋混凝土襯板的方案調(diào)整為主拱圈回型套箍加固法，即將增加的主拉應(yīng)力由外套鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)，以增加拱腳截面抗裂承載能力。

2.2 腹拱應(yīng)力分析

原橋邊腹拱在各荷載作用下3L/8截面主拉應(yīng)力較大，達(dá)到2.42 MPa，顯著高于砌體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；該結(jié)果與原橋開(kāi)裂部位基本一致；而主壓應(yīng)力在拱腳底面達(dá)到最大值1.38 MPa，其他位置主壓應(yīng)力均較小。中腹拱在拱腳處主拉應(yīng)力較大，為1.93 MPa，主壓應(yīng)力也出現(xiàn)在拱腳，為2.37 MPa。

加固后大橋邊、中腹拱在荷載綜合作用下，邊腹拱最大主拉應(yīng)力為1.45 MPa，而最大主壓應(yīng)力為1.21 MPa。而對(duì)于中腹拱，最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力分別為1.5 MPa和2.06 MPa。因此該橋腹拱在各荷載工況下最大主壓應(yīng)力均小于砌體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，拱圈不會(huì)因?yàn)榭箟撼休d能力不足而被壓壞。而結(jié)合大橋加固前后在荷載作用下腹拱主應(yīng)力對(duì)比表，如表3所示，可知，在相同荷載作用下，相比于大橋原橋，加固維修方案可降低邊、中腹拱截面的主拉應(yīng)力，可改善腹拱抗裂承載能力；但由于加固后各腹拱最大主拉應(yīng)力仍大于砌體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，邊腹拱拱頂、拱腳，中腹拱拱腳截面仍可能會(huì)由于抗拉承載能力不夠而出現(xiàn)裂縫；因此建議對(duì)原橋腹拱也采用增設(shè)鋼筋混凝土襯板進(jìn)行加固或?qū)⒄麄€(gè)腹拱拆除并調(diào)整為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以增加腹拱截面抗裂承載能力。

表3 大橋加固前后腹拱主應(yīng)力對(duì)比 MPa

2.3 變形分析

在各荷載綜合作用下，大橋原橋與加固維修方案的主拱圈拱頂最大豎向位移相同，均為40 mm。根據(jù)撓度評(píng)價(jià)法[9-10]，若從結(jié)構(gòu)剛度提高角度分析，拱橋加固后結(jié)構(gòu)剛度宜有所增加，即在荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形量應(yīng)有所降低，而對(duì)于本橋，加固后橋梁在荷載作用下的變形與原設(shè)計(jì)基本一致，即在主拱圈下增設(shè)鋼筋混凝土襯板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的改變較??；實(shí)際加固方案中可適當(dāng)提高加固襯板厚度或調(diào)整為主拱圈回型套箍加固法以提高主拱圈截面剛度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)西南山區(qū)等級(jí)公路上典型大跨徑空腹式石拱橋所采取的主拱圈增大截面、換置拱上填料的綜合加固法，采用大型有限元分析程序，建立實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧Ｐ停ㄟ^(guò)數(shù)值計(jì)算分析得到以下主要結(jié)論：

(1)恒載作用下實(shí)體模型計(jì)算的主拱圈變形量與梁?jiǎn)卧?jì)算模型基本一致；梁?jiǎn)卧Ｐ团c實(shí)體單元模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)第一階振型均為橫橋向水平振動(dòng)，而第二階均為豎向振動(dòng)，且頻率計(jì)算結(jié)果較相近。

(2)在各荷載綜合作用下，原橋與加固維修方案的主拱圈拱頂最大豎向位移相同，均為40 mm；表明加固方案未顯著提升原橋主拱結(jié)構(gòu)剛度。

(3)原橋在各荷載綜合作用下，主拱圈拱頂?shù)酌嬷骼瓚?yīng)力較大，為0.65 MPa，超過(guò)砌體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；主拱圈主壓 應(yīng)力在拱腳底面最大，達(dá)到6.72 MPa。各腹拱的主壓應(yīng)力均較小，均遠(yuǎn)小于砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但主拉應(yīng)力均較大，其中，邊腹拱主拉應(yīng)力達(dá)到1.95 MPa，超過(guò)砌體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，而實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該腹拱出現(xiàn)裂縫，與計(jì)算結(jié)果較吻合。

(4)相比于大橋原橋，加固維修方案在相同荷載工況下，可降低主拱拱頂截面、邊腹拱各截面的主拉應(yīng)力，但改善效果不明顯；而對(duì)于主壓應(yīng)力，加固維修方案可將原橋拱腳截面主壓應(yīng)力由6.72 MPa降低到3.86 MPa，即大橋維修加固方案可顯著降低原橋拱腳截面的主壓應(yīng)力，但主拉應(yīng)力改善效果并不顯著。

(5)綜合加固前后大橋應(yīng)力、變形分析，實(shí)際加固方案可在既有方案基礎(chǔ)上適當(dāng)提高主拱加固襯板厚度或采用主拱圈回型套箍加固法以提高結(jié)構(gòu)剛度；而對(duì)于腹拱，采用增設(shè)鋼筋混凝土襯板或?qū)⒄麄€(gè)腹拱拆除而調(diào)整為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以增加腹拱抗裂承載能力。