基于Midas Civil的既有橋梁加固前后結構驗算對比分析

劉濤

（山西省交通新技術發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

橋梁工程作為我國公路交通建設的重要組成部分，承擔著重要的運輸任務。由于長期經(jīng)受車輛荷載尤其是重型車輛的反復作用，導致橋梁結構出現(xiàn)破損甚至失穩(wěn)，亟需對既有橋梁進行加固處理。為此，本文結合楊家渡橋加固工程，采用有限元軟件Midas Civil具體分析了橋梁加固前后的結構受力驗算，通過對既有橋梁受損結構進行及時拆除和更換，在橋墩蓋梁粘貼鋼板等加固措施，取得了較好的加固效果，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

楊家渡橋1994 年建成通車，目前已運營27 年。橋梁全長84.04m，橋跨布置為5×16m，每跨7 片空心板梁，梁高0.75m。該橋主梁采用16m 鋼筋混凝土空心板梁，主梁結構體系為結構簡支、橋面連續(xù)。全橋橋面寬度為11.5m，橋面橫向布置為：0.25m （護欄） +1.00m （人行道） +9.00m （行車道） +1.00m （人行道）+0.25m（護欄）。下部結構橋墩采用三柱式墩，樁基礎采用鉆孔灌注樁；橋臺采用輕型橋臺，樁基礎采用鉆孔灌注樁。橋面鋪裝為瀝青混凝土鋪裝，支座形式為板式橡膠支座，伸縮縫為型鋼伸縮縫。橋梁設計荷載為公路汽-20，掛-100。

原橋結構受建設年代設計手段及設計理念的局限性制約，楊家渡橋主梁采用16m 鋼筋混凝土空心板梁，橋面結構整體受力性較差，目前該橋已不滿足原設計承載能力的要求。

2 橋梁技術狀況評定

（1）橋梁靜載試驗偏載試驗截面關鍵撓度測點校驗系數(shù)介于0.59～0.83 范圍內(nèi)，撓度校驗系數(shù)均小于1.0，結構剛度滿足要求；偏載試驗截面關鍵應力測點校驗系數(shù)介于0.39～1.29 范圍內(nèi)，5#～7#板梁應力校驗系數(shù)為1.29，結構強度不滿足設計要求；支點截面關鍵應力測點校驗系數(shù)介于0.59～0.83 范圍內(nèi)，校驗系數(shù)均小于1.0，結構剛度滿足要求，支點截面主應力測點校驗系數(shù)介于0.51～0.69 范圍內(nèi)，應力校驗系數(shù)均小于1.0，結構強度滿足要求，支點截面加載下縫寬無明顯發(fā)展。

（2）橋梁動載試驗實測自振頻率值略大于計算值，表明結構的整體剛度正常，滿足設計要求[1]，一階自振頻率實值為6.641Hz；實測最大沖擊系數(shù)為0.220（10km/h），計算沖擊系數(shù)為0.319，實測沖擊系數(shù)略小，表明正常行駛下動荷載對橋梁結構的沖擊較小。

（3）該橋承載能力極限狀態(tài)下結構檢算不滿足設計荷載（汽車-20 級、掛車-100）要求，極限狀態(tài)下結構抗彎、抗剪強度檢算不滿足規(guī)范荷載（公路-I 級）要求；正常使用極限狀態(tài)下，截面抗裂性滿足要求；變形滿足正常使用要求。

依據(jù)《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011），該橋技術狀況評定為：總體4 類（59.91），其中：橋面系3 類（60.28）、上部結構4 類（40.30）、下部結構3類（79.34）。

3 原結構設計驗算

本文采用有限元軟件MIDAS Civil2020 對楊家渡橋原設計結構進行驗算，原設計橋面板與橋墩呈30°斜交，橫向共7 片空心板，驗算時采用梁格法建立模型。橋面鋪裝、人行道和欄桿自重采用荷載形式施加，梁格模型離散為344 個節(jié)點和383 個單元，計算模型如圖1所示。

圖1 楊家渡橋原設計計算模型

對楊家渡橋原設計進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)結構驗算，見表1。

表1 楊家渡橋原設計承載能力計算結果

經(jīng)計算，楊家渡橋原設計在承載能力極限狀態(tài)下，空心板梁抗彎、抗剪承載能力滿足規(guī)范要求；在正常使用極限狀態(tài)下，空心板梁裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

4 橋梁現(xiàn)有狀態(tài)驗算

計算模型同小節(jié)3，見圖1。其承載能力檢算系數(shù)見表2。

表2 承載能力檢算系數(shù)

對楊家渡橋現(xiàn)狀承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行結構驗算，如表3所示。經(jīng)計算，楊家渡橋現(xiàn)狀在承載能力極限狀態(tài)下，空心板梁的抗彎、抗剪承載能力均不滿足規(guī)范要求；在正常使用極限狀態(tài)下，空心板梁的裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

表3 楊家渡橋現(xiàn)狀承載能力計算結果

5 橋梁改造前后恒載變化

楊家渡橋鋼筋混凝土空心板梁腹板、底板及橋面鋪裝等處存在大量的豎向裂縫，底板鋼筋銹脹、梁端斜向裂縫、支座脫空、老化開裂等病害。通過對裂縫進行修補，用環(huán)氧砂漿對破損的混凝土區(qū)域進行修補，對上部結構采取拆除及更換，橋墩蓋梁粘貼鋼板等措施進行加固[2]。

橋梁改造后，對單跨上部結構恒載變化進行分析，恒載減少約為0.76%，即減少1.928t恒載，如表4所示。

表4 單跨橋梁改造前后恒載變化 單位：kN

6 加固后結構驗算

6.1 更換矮T梁結構驗算

楊家渡橋換板后，更換后的橋面板與橋墩呈30°斜交，橫向共8 片矮T 梁，驗算時采用梁格法建立模型。橋面鋪裝、人行道和欄桿自重采用荷載形式施加，梁格模型離散為420 個節(jié)點和434 個單元。對楊家渡橋換板后進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)結構驗算，結果匯總如表5所示。

表5 楊家渡橋換板后承載能力計算結果

表5（續(xù)）

經(jīng)計算，楊家渡橋換板后在承載能力極限狀態(tài)下，矮T梁抗彎、抗剪承載能力滿足規(guī)范要求；在正常使用極限狀態(tài)下，矮T梁拉壓應力滿足規(guī)范要求。

6.2 蓋梁結構驗算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）第8.4節(jié)，對楊家渡橋蓋梁加固后的結構進行驗算。通過更換后矮T梁的梁格模型得到各支座反力，計算出蓋梁在荷載基本組合下的內(nèi)力設計值。

經(jīng)計算，蓋梁跨中段截面抗彎承載能力為736.7kN·m，正彎矩設計值為533.8kN·m，安全系數(shù)為1.38，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；蓋梁墩頂段截面抗彎承載能力為736.7kN·m，負彎矩設計值為666.2kN·m，安全系數(shù)為1.11，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

更換上部結構及提升橋梁設計荷載后，蓋梁跨中段斜截面抗剪承載能力為915.7kN，剪力設計值為944.6kN，安全系數(shù)為0.97，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對蓋梁進行U形箍鋼板加固后，跨中段斜截面抗剪承載能力為1129.2kN，剪力設計值為944.6kN，安全系數(shù)為1.20，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

蓋梁懸臂端上緣抗拉承載能力為527.5kN，拉桿內(nèi)力設計值為435.8kN，安全系數(shù)為1.21，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

6.3 地基承載能力計算

楊家渡橋樁基及土層信息如表6所示。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363—2019）第6.3.3節(jié)，對支承在土層中的鉆（挖）孔灌注樁，其單樁軸向受壓承載力特征值Ra可按下列公式計算[3]：

表6 楊家渡橋樁基承載能力計算參數(shù)

式（1）～式（2）中：Ra為單樁軸向受壓承載力特征值（kN）；u為樁身周長（m）；Ap為樁端截面面積（m）；n為土的層數(shù)；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；qik為與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值（kPa）；qr為修正后的樁端土承載力特征值（kPa）；fa0為樁端土的承載力特征值（kPa）；h為樁端的埋置深度（m）；k2為承載力特征值的深度修正系數(shù)；γ2為樁端以上各土層的加權平均重度（kN/m3）；λ為修正系數(shù)；m0為清底系數(shù)。

經(jīng)計算，楊家渡橋樁基豎向作用力合計為7 379.1kN，地基承載能力為10 433.5kN，安全系數(shù)為1.41，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

7 結語

綜上，以楊家渡橋加固項目為例，通過有限元分析軟件Midas Civil，分析了該橋加固前后不同狀態(tài)下的結構受力情況。結果表明，相較于橋梁的現(xiàn)有狀況，加固后，橋梁的主要結構承受荷載能力和技術狀況有了明顯提升，加固效果顯著，延長了橋梁的使用壽命。