上承式拱橋新型加固改造方法及試驗驗證

謝肖禮　李院騰　龐木林

摘要：早期的上承式拱橋受限于設(shè)計荷載等級偏低、維護(hù)養(yǎng)護(hù)不到位和已運營多年等，其力學(xué)性能已不能滿足現(xiàn)代交通需求，針對這一問題本文提出了一種新型的加固改造方法，即在拱肋與主梁間增設(shè)V桿、橋面上安裝桁片，使以拱肋為主要承重構(gòu)件的受力體系轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層桁架整體受力體系。為評估該方法的加固效果，以某50 m上承式拱橋為研究對象，運用有限元手段對比分析加固前后的力學(xué)性能。為進(jìn)一步驗證新加固改造法對提高原結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有效性，完成10 m試驗橋的荷載試驗并對比分析結(jié)果。兩種結(jié)果均表明：新型加固改造方法可以大幅提高橋梁承載力與剛度。對實橋進(jìn)行有限元分析時，加固改造后拱腳和跨中最大壓應(yīng)力分別減小2.9、2.3 MPa，主梁最大上、下?lián)戏謩e減小35.08%、27.42%；對試驗橋進(jìn)行靜載加載時，加固改造后拱肋上緣與下緣最大應(yīng)力分別減小82.68%、78.14%，拱肋最大上、下?lián)现捣謩e減小97.47%、90.30%。故該加固改造方法積極有效，可盡早應(yīng)用于工程實際。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；加固改造；橋梁結(jié)構(gòu)體系；荷載試驗；有限元

中圖分類號：U441.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A new reinforcement and reconstruction method and experimental verification for deck arch bridge

XIE? Xiaoli，LI? Yuanteng，PANG? Mulin*

（College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

Abstract： Due to the low design load level，inadequate maintenance and maintenance，and many years of operation，the mechanical properties of the early deck arch bridge can not satisfy the modern traffic requirements.To solve this problem，a new method of bridge reinforcement and reconstruction is proposed in this paper.By adding V-bars between arch ribs and main girder and installing trusses on the bridge deck，the traditional stress system with arch rib as the main load-bearing component is transformed into the overall stress system with double-layer truss.In order to evaluate the reinforcement effect of this method，the finite element analysis method was used to contrast and analyze the mechanical performances of a 50 m deck arch bridge before and after reinforcement.In order to further verify the effectiveness of the new reinforcement method in improving the mechanical properties of the original structure，the load test of 10 m test bridge was complete to analyze structure mechanical performances.The results indicate that the new reinforcement method can greatly improve the bearing capacity and stiffness of bridges.In the finite element analysis of the real bridge，the maximum compressive stresses at the arch foot and mid-span are reduced by 2.9 MPa and 2.3 MPa respectively，and the maximum up and down deflections of the main beam are reduced by 35.08% and 27.42% respectively.When the test bridge is loaded under static load，the maximum stresses at the upper and lower edges of the arch rib are reduced by 82.68% and 78.14% respectively，and the maximum up and down deflections of arch rib are reduced by 97.47% and 90.30% respectively.Therefore，this method is active and effective and should be applied to engineering practice as soon as possible.

Key words： bridge engineering;reinforcement and reconstruction;bridge structure system;load test;finite element

盡管現(xiàn)代橋梁涌現(xiàn)出了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，拱橋仍具有很強的競爭力。拱橋在我國歷史悠久，據(jù)不完全統(tǒng)計，拱橋在全國橋梁中占比達(dá)六成以上，在我國西部地區(qū)更是超過八成［1］，其中上承式拱橋跨越能力強、整體剛度大，且能利用地質(zhì)條件修建基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)性好，同時具備著可適用于各種地理環(huán)境下的成熟的施工工藝，所以在橋梁工程中往往作為首選橋型［2-3］。然而，20世紀(jì)末在我國建造的上承式拱橋，因受限于最初的設(shè)計與施工技術(shù)不夠完善成熟、維修養(yǎng)護(hù)不到位、車輛超載嚴(yán)重，出現(xiàn)了構(gòu)件承載力不足、剛度下降等問題，已逐漸成為現(xiàn)代交通發(fā)展的“瓶頸”。對這些已出現(xiàn)安全隱患的舊橋，若一味選擇拆除重建，不僅在資金方面開支不菲，而且由于長時間中斷交通所造成的社會和經(jīng)濟(jì)影響也難以估量。國內(nèi)工程經(jīng)驗表明，舊橋在加固改造過程中投入的資本成本僅占新建橋梁施工投入資金成本的20%～30%，若通過加固改造，恢復(fù)并提高舊橋的承載能力，使其繼續(xù)在交通運輸行業(yè)安全運營，則不僅符合資源可持續(xù)發(fā)展的需求，更可以給國家?guī)砭薮蟮纳鐣?、?jīng)濟(jì)效益［4］。

目前，國內(nèi)針對上承式拱橋的加固方法主要有增大截面法［5-7］、粘貼碳纖維法［8-10］、粘貼鋼板法［11-13］、鋼筋砼套箍封閉主拱圈法［14-16］、改變結(jié)構(gòu)體系法［17-19］等，前4種方法雖然能在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但存在施工困難、自重增大、經(jīng)濟(jì)性較差等缺點。改變結(jié)構(gòu)體系法是通過改變拱橋結(jié)構(gòu)受力體系，達(dá)到結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布、提高橋梁承載能力的目的，但是現(xiàn)有的方法一般僅將實腹拱橋的實腹段換成輕質(zhì)材料，或改變拱上建筑以減小橋梁恒載和拱圈壓應(yīng)力，如20世紀(jì)70年代建成的福建省羅源縣關(guān)五里大橋和江西修水—武寧公路走馬崗大橋?？梢?，傳統(tǒng)的改變結(jié)構(gòu)體系加固法僅能減小拱上荷載，實際上拱圈仍為主要承重構(gòu)件，因此加固后橋梁的各項力學(xué)性能指標(biāo)提高不大。

為了對現(xiàn)有上承式拱橋進(jìn)行科學(xué)的加固改造，使其力學(xué)性能得到有效提高，本文提出一種新方法，即在拱肋與主梁間增設(shè)V桿、橋面上安裝桁片，使以拱肋為主要承重構(gòu)件的受力體系轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層桁架整體受力體系，先介紹該方法的力學(xué)原理，再通過有限元軟件對比研究加固改造前后拱橋的力學(xué)性能，最后利用跨徑為10m的試驗橋進(jìn)行荷載試驗對研究和計算加以驗證。

1 新型加固改造方法力學(xué)原理分析

與現(xiàn)有的改變結(jié)構(gòu)受力體系加固法不同，上承式拱橋新型加固改造方法包含了以下力學(xué)原理：

（1）在現(xiàn)行的各種橋梁設(shè)計規(guī)范中，拱肋均作為主要受力構(gòu)件承擔(dān)恒載與活載，但是恒載對拱肋產(chǎn)生的效果為小偏心受壓，而活載效應(yīng)還會出現(xiàn)彎曲、剪切及扭轉(zhuǎn)變形，可見，恒載與活載對拱肋所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形存在差異。上承式拱橋新型加固改造方法通過在拱肋與主梁間增設(shè)V桿、橋面上安裝桁片，可使拱肋、V桿與主梁形成下桁架，桁片與主梁形成上桁架，從而將以拱肋為主要承重構(gòu)件的受力體系轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層桁架整體受力體系（圖1），達(dá)到改善結(jié)構(gòu)受力性能的目標(biāo)。

（2）加固后的拱橋在原來拱橋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入三角形理念，三角形由V桿與拱段、梁段構(gòu)成，其節(jié)點對拱肋、主梁均起到很好的約束作用，然而橋梁以承受移動荷載為主，當(dāng)受移動荷載作用時三角形結(jié)構(gòu)處于受非節(jié)點力狀態(tài)，其穩(wěn)定性會有所降低，因此，在進(jìn)行加固改造時，保留原拱橋的立柱使其對主梁起到彈性約束作用，從而使三角形的穩(wěn)定性能夠得到有效保持。

（3）主梁作為上、下桁架的共用弦桿，依據(jù)桁架的受力原理可知，在荷載作用下，下弦桿參與受力時其受拉，上弦桿參與受力時其受壓，所以主梁內(nèi)會產(chǎn)生力的對沖效應(yīng)，使主梁內(nèi)力明顯減小，從而減少材料用量。

2 新型加固改造方法有限元分析

以某國道干線上的一座跨徑為50m的實橋為例，采用本文提出的新型加固改造方法進(jìn)行改造，通過有限元軟件分析其加固改造前后的力學(xué)性能。

2.1 實橋結(jié)構(gòu)布置

本橋為上承式拱橋，橋跨l=50m，矢高f=6.25m，高跨比為1/8。橋面總寬：0.75（護(hù)欄）×2+7（行車道）=8.5m。主拱圈為箱型截面，高1.3m，寬7.6m，混凝土強度等級為C40；立柱為實腹圓形截面，直徑D=60cm，混凝土強度等級為C30，順橋向間隔5m布置，橫橋向6根；鋼筋混凝土橋面板厚35cm，混凝土強度等級為C40，橋面板上為15cm厚瀝青混凝土鋪裝層。原橋按公路—Ⅱ級設(shè)計，結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

2.2 加固改造方法

在長期處于超負(fù)荷狀態(tài)運營情況下，該橋梁已出現(xiàn)承載力下降、主梁開裂下?lián)系炔『Α，F(xiàn)采用文章提出的新型加固改造方法對其進(jìn)行加固改造，具體做法如下：保留原拱肋、立柱、橋臺以及拱頂處實腹段，拆除橋面系；架設(shè)主梁（格子梁）、安裝V桿和桁片，最后澆筑橋面板混凝土、鋪設(shè)瀝青層。由于橋面上安裝了桁片，為了滿足車道布置要求，將橋面寬增加到9.4m，加固改造完成后的布置如圖3所示，各構(gòu)件的參數(shù)及用量見表1，加固改造總用鋼量為47.35t，換算成每平米用鋼量為100.7kg。

2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元分析

以建立的有限元模型（圖4）對比拱橋加固改造前后的力學(xué)性能。

模型的邊界條件處理為：拱腳、V桿上下兩端、桁片下部固結(jié)，橋面系與立柱和橋臺間設(shè)彈性支撐。

2.3.1 強度分析

由于舊橋要滿足如今的交通要求，公路荷載等級應(yīng)提升為Ⅰ級，為便于比較，進(jìn)行強度分析時，公路荷載等級統(tǒng)一?、窦墶Ｔ诤奢d組合“1.2×恒載+1.4×活載”作用下，加固改造前后拱腳與跨中截面

位置的應(yīng)力計算結(jié)果（表2）表明：由于加固改造后拱肋作為下桁架的下弦桿，荷載作用時受拉，故拱腳和跨中的最大壓應(yīng)力都降低，分別減小2.9、2.3MPa。

為了確保新增鋼結(jié)構(gòu)不發(fā)生塑性破壞，根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，在荷載組合“1.2×恒載+1.4×活載+1.05×溫度荷載”下對鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)果（表3）表明：新增鋼結(jié)構(gòu)所受的拉、壓應(yīng)力較小，且符合規(guī)范要求。

2.3.2 剛度分析

在移動荷載工況下對加固改造前后主梁的撓度進(jìn)行計算，結(jié)果（表4）表明：通過在拱肋與主梁間增設(shè)V桿、橋面上安裝桁片，使原有的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層桁架整體受力體系后，結(jié)構(gòu)的剛度得到大大提高，加固改造后的主梁的最大上、下?lián)戏謩e僅為1.61、3.90mm，較加固改造前分別減小35.08%、27.42%。

2.3.3 動力特性分析

在恒載作用下對加固改造前后結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行分析［22-23］，結(jié)構(gòu)的前五階振動頻率及振型特征描述列于表5，對應(yīng)的振型模態(tài)如圖5所示。

可見，加固改造前后結(jié)構(gòu)的振動主要以面內(nèi)振動為主，但是在同一振型特征下，加固改造后結(jié)構(gòu)的自振頻率提高明顯，具體而言，發(fā)生一階反對稱豎彎時，加固改造前的自振頻率為4.6131Hz，加固改造后自振頻率提高了31.89%。因此，新型加固改造方法還可用于解決舊橋動力特性較差的問題。

3 上承式拱橋新型加固改造方法試驗研究

為了驗證新型加固改造方法對提高原結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有效性，本研究修建試驗橋進(jìn)行荷載試驗，通過靜力荷載等效的方法模擬移動荷載在橋面上出現(xiàn)下?lián)系淖畈焕奢d工況，測試結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等響應(yīng)，并與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比與分析。

3.1 試驗橋布置

試驗橋跨徑10m，寬1m，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)m=2.8，上構(gòu)為全鋼，除橋面板使用Q235外，其余構(gòu)件均使用Q345。各構(gòu)件用空間桿件模型模擬，構(gòu)件參數(shù)見表6（其中，V形桿件與桁片占總用鋼量的21.74%），實橋以及總體布置分別如圖6、圖7所示。

主梁通過橡膠支座架設(shè)在橋臺與立柱上，增設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)與拱肋、主梁的節(jié)點處理方式為焊接。由于加固前后的橋位不變，為了更好地進(jìn)行對比，試驗分兩步完成，即先進(jìn)行傳統(tǒng)上承式拱橋的荷載試驗，然后增設(shè)V形桿件與桁片，最后進(jìn)行加固改造后的荷載試驗。

3.2 加載方案設(shè)計

利用有限元軟件建立試驗橋的三維模型，通過移動荷載分析，將加固改造前后的主梁位移包絡(luò)圖（圖8）進(jìn)行對比可知，加固改造前后的撓度最大點分別出現(xiàn)在l/4附近和l/2附近，因此將這兩個地方定為加載位置。試驗采用水箱加載的方式進(jìn)行，加載重量為2t，分三級加載，整體卸載，加載時將水箱懸掛于橋面下方，試驗現(xiàn)場如圖9所示。采用電阻應(yīng)變片和精密百分表進(jìn)行應(yīng)變與撓度的測量。

3.3 應(yīng)力測試截面與測點布置

從拱肋兩拱腳開始，每隔l/8距離選取的位置作為拱肋應(yīng)力測試截面，其應(yīng)力測點布置于拱背與拱腹，V桿與桁片的應(yīng)力測點均布置于桿件中部，應(yīng)力測試截面示意如圖10所示，拱肋位移、現(xiàn)場試驗時應(yīng)力和撓度的測點布置分別如圖11、圖12所示。

3.4 試驗結(jié)果分析

本研究試驗所測構(gòu)件及布置的測點數(shù)較多，因篇幅所限，故本文僅給出第3級加載下的試驗數(shù)據(jù)，其中，拱肋拱背與拱腹的試驗數(shù)據(jù)取同側(cè)測點中的最大值。加固改造前后拱肋應(yīng)力的有限元計算值和試驗實測值對比見表7與圖13；V桿與桁片的試驗結(jié)果與計算結(jié)果離散度分析見表8，應(yīng)力對比見圖14、15。表9列出了拱肋位移的試驗實測值與有限元計算值，圖16與表9對應(yīng)。

分析圖13至16、表7至9可知：加固改造前后拱肋、V桿、桁片力以及拱肋撓度的試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)較為相符，試驗值與計算值的誤差絕大多數(shù)在±30%以內(nèi)，僅少數(shù)數(shù)據(jù)誤差較大，整體上吻合度較好，考慮到試驗橋的跨徑較大，施工過程中容易存在偏差，并且有限元軟件計算時對邊界進(jìn)行了理想化處理，試驗數(shù)據(jù)的可靠性較高，試驗總體上驗證了新型加固改造方法的有效性和科學(xué)性。

進(jìn)一步對數(shù)據(jù)分析可知：加固改造后的拱橋力學(xué)性能得到了明顯的改善。在第3級加載下，加固改造后拱肋拱背與拱腹最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳2、拱腳1截面處，與加固改造前相比，上緣與下緣最大應(yīng)力分別減小了82.68%、78.14%，且加固改造后拱肋的應(yīng)力變化更為平緩，受力更合理。對V桿與桁片的應(yīng)力進(jìn)行離散度分析，結(jié)果（表8）表明：試驗值與有限元值吻合度較好；總體上試驗值偏大，考慮到施工誤差等原因，試驗結(jié)果仍較為可信。

分析拱肋撓度的數(shù)據(jù)（表9）可知：加固改造前后拱肋最大上撓值分別為3.56、0.09mm，最大下?lián)现捣謩e為4.33、0.42mm，加固改造后拱肋最大上撓值減小了97.47%，最大下?lián)现禍p小了90.30%，進(jìn)一步說明加固改造后的拱橋剛度得到大幅度提高。

4 結(jié)論

本文提出了一種針對上承式拱橋的新型加固改造方法，以有限元分析與試驗橋荷載試驗手段驗證加固改造效果，主要得出以下結(jié)論：

（1）加固改造后結(jié)構(gòu)的承載力得到有效提高。對實橋進(jìn)行有限元分析時，拱腳和跨中的最大壓應(yīng)力分別減小了2.9、2.3MPa；靜載試驗中，加固改造后拱肋上緣與下緣最大應(yīng)力分別減小了82.68%、78.14%。

（2）結(jié)構(gòu)整體剛度得到大幅提高。利用有限元對實橋進(jìn)行計算時，加固改造后主梁的最大上、下?lián)戏謩e比加固改造前減小了35.08%、27.42%；靜載試驗中，加固改造后拱肋最大上撓值減小了97.47%，最大下?lián)现禍p小了90.30%。

（3）本文提出的新型加固改造方法是一種科學(xué)、有效的舊拱橋加固改造方法，其在提高結(jié)構(gòu)承載能力與剛度方面優(yōu)勢明顯，在進(jìn)行舊、危橋的加固、提載、改造工程中可加以推廣應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2021-07-30

基金項目：廣西科技計劃（桂科AB18126047）

作者簡介：謝肖禮（1963—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)新體系研究，e-mail：guxiexiaoli@126.com。

*通信作者：中文通信作者龐木林（1994—），男，博士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)安全性及橋梁結(jié)構(gòu)新體系，e-mail：957604200@qq.com。