基于增大截面法的鋼桁架橋塔加固力學分析*

李士龍， 林偉， 茍勇， 齊林， 殷新鋒

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114；2.四川公路橋梁建設集團有限公司 橋梁公司，

隨著鋼結(jié)構的老化銹蝕、交通量的不斷增加，加上舊橋本身設計荷載偏低，許多橋梁的承載能力已不能滿足現(xiàn)代交通的需求，對舊橋的維修、改建、加固顯得極為迫切和必要?，F(xiàn)有橋梁加固方法有橋面補強層加固法、增大截面法、粘貼鋼板加固法、結(jié)構受力體系加固法、體外預應力加固法、減輕自重加固法，需針對不同病害選擇合適的加固方法。該文依據(jù)某雙塔鋼桁架橋的病害特點，采用增大截面法進行加固并進行受力分析。

1 工程概況及加固方法

1.1 工程概況

某雙塔鋼桁架橋總長550 m，跨徑布置為130 m+290 m+130 m，塔高60 m，塔頂橫梁寬11.4 m，塔底寬15.8 m，塔柱為1.2 m方形截面。2個塔座底部配有轉(zhuǎn)盤，在船只通過時可旋轉(zhuǎn)開啟，主跨跨中處閉合時采用鉸接。下部結(jié)構采用樁柱式橋墩、鉆孔灌注樁(見圖1)。經(jīng)現(xiàn)場檢驗，該橋已不能滿足現(xiàn)有交通負荷，且部分構件由于保護不當存在不同程度的銹蝕損害，急需進行加固改造。

圖1 某鋼桁架橋側(cè)面圖(單位：m)

橋梁主結(jié)構采用S355級鋼材，密度為7 850 kg/m3，楊氏模量為2.1×1011Pa,泊松比為0.3，膨脹系數(shù)為1.2×10-5℃-1。橋梁樁基采用C30砼,砼容重為26 kN/m3。

1.2 加固方法原則及初步比選

加固設計中要綜合考慮加固方案的耐久性、技術可行性、施工便利性、經(jīng)濟性及不影響原橋的使用。在提高橋梁整體承載能力和局部構件強度時，修復橋梁結(jié)構構件或加大橋梁結(jié)構是常用的補強加固措施，加固時要盡量不改動橋梁的原有結(jié)構形式。目前鋼結(jié)構橋梁常用加固方法有預應力加固法、粘貼纖維加固法、粘貼鋼板加固法和增大截面法。

(1) 預應力加固法是在待加固構件上粘貼預應力鋼撐桿或剛拉桿進行加固，在梁柱結(jié)構加固中應用較多。該橋橋塔是大型承壓構件，該方法不適合該橋的加固。

(2) 粘貼纖維法是在待加固區(qū)域粘貼纖維增強復合材料進行加固，在各種受力構件中應用較多。其優(yōu)點是施工方便、高強高效、對橋梁結(jié)構及外觀影響較小、耐久性和耐腐蝕性好，缺點是耐火性與耐高溫性較差、彈性模量小、材料延展性較差、容易產(chǎn)生脆性破壞。該橋所在地區(qū)氣溫較高，光照充足，屬于熱帶沙漠氣候，對纖維的性能及耐久性影響較大，不適宜采用粘貼纖維法加固。

(3) 粘貼鋼板法通過在構件承載能力不足的區(qū)域粘貼鋼板提高部件的抗剪、抗彎、抗壓、抗拉等性能，適用于外觀規(guī)則構件的小構件加固，同時對加固膠的性能要求較高，且耐久性一般。該橋?qū)儆诖笮弯摻Y(jié)構，加固時要綜合考慮加固效果和耐久性，該方法也不合適。

經(jīng)綜合比較，采用增大截面法即焊接C形槽鋼的方法進行加固。使用該方法首先要注意新增部分與原有部分的結(jié)合受力，新增部分的受力變形要在允許范圍內(nèi)；其次要考慮新增構件與舊構件共同受力的耐久性。

2 加固方法與模型建立

2.1 加固措施

該鋼桁架橋包括西岸和東岸兩部分，其中西岸需加固修復的部分及難度比東岸大，需全面考量加固方式及加固效果，故以西岸為研究對象。加固方法：對橋塔4個塔柱內(nèi)側(cè)增加C形槽鋼，對塔底橋面板兩側(cè)縱梁內(nèi)側(cè)也進行C形槽鋼加固，為使C形槽鋼與原有塔柱共同工作，對加固處進行焊接處理。橋塔上部構件加固設計見圖2，塔底橋面板加固設計見圖3。

圖2 橋塔上部構件加固設計(單位：mm)

圖3 塔底橋面板加固設計(單位：mm)

2.2 有限元建模

根據(jù)該橋的結(jié)構形式和受力特點，采用有限元軟件ABAQUS建立橋塔模型，對加固前橋塔和采用增大截面法加固后橋塔進行對比分析。由于橋塔結(jié)構裝配零件眾多且尺寸差異較大，為不影響有限元網(wǎng)格質(zhì)量，在不影響結(jié)果的前提下對其細部連接構件進行簡化處理。加固前橋塔有155 672個單元、312 976個節(jié)點，加固后橋塔有295 460個單元、576 180個節(jié)點。塔柱壁厚和塔底邊縱梁及加固的C形槽鋼為變截面，采用實體單元模擬，單元類型為C3D8R(八結(jié)點線性六面體單元)；橋塔其余部分為等截面形式，在滿足精度的條件下，為節(jié)省計算時間，采用梁單元模擬，單元類型為B31(兩結(jié)點空間線性梁單元)。梁單元和實體單元采用耦合連接。加固的C形槽鋼與原橋塔柱和塔底兩側(cè)縱梁采用綁定連接模擬共同受力。橋塔加固前后模型見圖4，撓度和應力觀測點布置見圖5。

圖4 橋塔模型

圖5 撓度和應力觀測點布置

3 加固效果評定

3.1 分析工況

按最不利原則，考慮2種工況對鋼桁架橋塔進行結(jié)構受力分析。工況1：在橋梁旋轉(zhuǎn)開啟狀態(tài)下，只考慮自重及二期荷載。此時橋梁不通車，承受的荷載只有橋面板和鋼軌重量，二期重量為15.2 kN/m。工況2：在橋梁通車狀態(tài)，按中國鐵路橋涵荷載(TB 10002.1-99)進行標準列車荷載布置。

3.2 加固前后撓度和應力對比

工況1下加固前后橋塔撓度分別見圖6、圖7，應力分別見圖8、圖9，撓度、應力對比分別見表1、表2。由表1、表2可知：工況1下，加固后1～5觀測點的撓度分別減少1.2、1.9、3.0、2.8、3.0 mm,加固后撓度分別為加固前的67.6%、72.9%、68.4%、74.1%、73.0%，說明增大截面加固能有效降低橋塔變形；加固后1～5觀測點的桿件應力分別減少27.998、31.960、25.666、17.523、6.88 3MPa，加固后應力分別為加固前的48.3%、54.4%、64.9%、65.5%、84.5%，桿件應力降低顯著，橋塔承載力提高。

圖6 工況1下加固前橋塔撓度(單位：m)

圖7 工況1下加固后橋塔撓度(單位：m)

圖8 工況1下加固前橋塔應力(單位：Pa)

圖9 工況1下加固后橋塔應力(單位：Pa)

表1 工況1下加固前后觀測點撓度對比

表2 工況1下加固前后觀測點應力對比

工況2下加固前后撓度分別見圖10、圖11，應力分別見圖12、圖13，撓度、應力對比分別見表3、表4。由表3、表4可知：工況2下，加固后1～5觀測點的撓度分別減少2.9、5.4、7.6、8.9、10.7 mm,加固后撓度分別為加固前的69.8%、70.5%、69.4%、69.7%、66.0%，增大截面法有效降低了橋塔變形；加固后1～5觀測點的桿件應力分別比加固前減少88.297、79.735、62.645、89.285、110.398 MPa,加固后桿件應力分別為加固前的43.7%、56.1%、68.2%、52.0%、91.4%，說明采用截面增大法加固橋塔對橋塔承載力的提高效果較好。

圖10 工況2下加固前橋塔撓度(單位：m)

圖11 工況2下加固后橋塔撓度(單位：m)

圖12 工況2下加固前橋塔應力(單位：Pa)

圖13 工況2下加固后橋塔應力(單位：Pa)

表3 工況2下加固前后觀測點撓度對比

表4 工況2下加固前后觀測點應力對比

3.3 跨中最大撓度對比

采用MIDAS/Civil建立半橋模型，對比分析工況1、工況2下加固前后跨中最大位移,評價加固效果。工況1下加固前后跨中最大位移分別見圖14、圖15，工況2下加固前后跨中最大位移分別見圖16、見圖17，跨中最大位移對比見表5。

表5 兩工況下加固前后跨中撓度對比

圖14 工況1下加固前跨中最大位移(單位：mm)

圖15 工況1下加固后跨中最大位移(單位：mm)

圖16 工況2下加固前跨中最大位移(單位：mm)

圖17 工況2下加固后跨中最大位移(單位：mm)

4 結(jié)論

(1) 增大截面法可有效增大橋塔剛度，減小撓度變形，提高橋梁結(jié)構受力性能及安全性。

(2) 通過增大橋塔截面，能減少橋梁跨中變形，工況1下跨中撓度加固后為加固前的84.1%,工況2下跨中撓度加固后為加固前的78.3%，增大截面加固法對減小橋梁跨中撓度有較好的效果。

(3) 增大截面法加固該鋼桁架橋塔的效果較好，該方法用于這類橋型加固可行、適用。