粘钢加固某钢筋混凝土桁架拱桥方案研究

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350004)

粘钢加固某钢筋混凝土桁架拱桥方案研究

■廖智敏

(福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350004)

本文以某钢筋混凝土桁架拱桥的加固改造工程为背景，结合原桥的设计图纸、设计标准和设计规范以及实际桥梁外观检测和荷载试验检测结果，对原桥提出粘钢加固方案。并运用M I D A S/C I V I L建立该桥模型，分析该桥加固前后静、动力特性及其稳定性，研究确定该加固方案的可行性。

桁架拱桥加固改造静动力特性稳定性可行性

1 工程概况

某桁架拱桥为单跨的钢筋混凝土桁架拱桥，其中，桥长为(10.5m+1.2m+6.0m+1.2m)×2+50.0m=87.8m，桥面宽度为3.0m(人行道)+18.0m(机动车道)+3.0m(人行道)=24.0m。主跨为50m，并且由8根桁架拱片组成，拱片的矢跨比为1/8，梁拱片间的距离为3.2m。桥面系采用矢跨比为1/14的微弯板及C30防水混凝土填平层，下部结构为框架式结构的桩基础轻型桥台。桥梁正交，设计荷载：汽-20，挂-100。桥跨布置如图1～图3。

2 原桥使用现状

图1 桥梁的立面图(单位：cm)

图2 1/2桥梁的横断面图(单位：c m)

图3 桥梁的平面图(单位：cm)

该桥建成通车至今已经运营10多年，在其期间往返于桥上的车辆超载超速还有混凝土收缩徐变等一些不可避免的自然条件影响，造成了局部受力构件的损伤与破坏，从而将会威胁该桥整体的运营安全。通过对该桥的外观检测报告可知，评定该桥完好状态等级直接评为D级，处于不合格状态，存在安全隐患。同时对该桥的荷载试验报告分析可知，本桥上部结构目前尚满足汽-20荷载等级的要求，但不满足城-A荷载标准要求。

3 加固方案设计

为了适应目前繁忙的交通流量，提高桥梁的荷载等级，将原设计荷载标准汽车-20，挂车-100，提高为城-A荷载等级。经设计研究，本桥拟采用粘钢加固法来加固该桥，并以MIDAS/CIVIL软件分析加固前后桥梁静、动力特性及其稳定性的改善程度来评价粘钢加固方法的加固效果。

该方法其实是在原桥的结构不发生变化的情况下，降低梁内的应力。此方法能够改变原桥构件的截面，同时可以不需要中断交通，并能有效的提高原桥截面的强度和刚度，从而来改善原桥的承载能力[1-2]。而针对本桥，做如下加固处理：在下弦杆左右两侧和下缘粘帖厚4mm的Q345钢材，使8片下弦拱肋封闭成一个整体共同受力，在上弦杆左右两侧粘帖厚4mm和下缘粘帖厚6mm的Q345钢材使8片上弦杆封闭成一个整体共同受力，具体见图4～6。

图4 下弦杆上下游外侧正面粘帖钢板一般构造图A(单位:cm)

图5 下弦杆(除上下游外侧)正面粘帖钢板一般构造图B(单位:cm)

图6 上弦杆上下游外侧正面粘帖钢板一般构造图A(单位:cm)

图7 上弦杆(除上下游外侧)正面粘帖钢板一般构造图B(单位:cm)

4 空间模型建立

本文结合原桥的实际情况运用MIDAS/CIVIL建立原桥加固后的空间模型。具体模型见图8～图9。

图8 加固后的桥梁三维模型

图9 加固后的上弦杆(左图)、下弦杆(中图)及实腹段(右图)某节段示意图

5 加固前后桥梁静力特性分析

由于该桥属于钢筋混凝土桁架拱桥，下弦杆与实腹段为其主要的承重构件。对于一般跨径的桁架拱桥只需计算受力最大的一片，而该桥由8片桁架拱片组成，且跨宽比为2.08＜3，根据桁架拱桥静力计算理论可知，应采用杠杆法进行计算分析，则此时横向分布系数最大的是中片。同时，限于本文篇幅不能对各桁架拱片进行详细分析。故分析时，选取中片G5的下弦杆与实腹段为主要控制截面，作静力特性分析。

另外，本文采用的粘钢加固法为被动加固法，其加固过程属于二次受力的问题，在进行加固计算时，应对粘钢加固方案作必要的基本假定[3]。

(1)杆件在变形后，截面仍然为平面。

(2)对于受拉区混凝土的抗拉强度不予考虑。

(3)在进行极限状态计算时，受拉区钢筋应力取其抗拉强度设计值。

(4)钢筋应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，且不超过其强度设计值。

(5)当杆件达到受弯承载能力极限状态时，钢板拉应变按平截面假设取值。钢板应力不超过其抗拉强度设计值。

(6)当杆件达到受弯承载能力极限前，应该要有安全的锚固措施，从而防止钢板和混凝土两者之间的粘结破坏。

5.1 加固前后桥梁正常使用极限状态验算

加固前后桥梁恒载活载应力计算及对比见表1～2。

表1 加固前后桥梁恒载应力计算及对比(单位：MPa)

表2 加固前后桥梁活载应力计算及对比(单位：MPa)

在恒载、活载作用下，将加固后的各主要控制截面的应力变化状况同加固前的对比分析可知：采用粘钢加固方案后相比于原桥，大部分应力均符合拉应力的减小和压应力储备提高的变化，这对于该桥的整体受力是十分有利的，说明粘钢加固方案充分起到了优化该桥受力的目的。再按照《规范》[4]进行正常使用极限状态的应力组合，具体结果见表3。

表3 加固前后各控制截面正常使用极限状态应力组合计算及对比(单位：MPa)

通过上表分析可知，采用粘钢加固法后下弦杆和实腹段截面的应力值取得了较好的改善。截面的拉应力有不同程度的下降，而大部分的压应力也有不同程度的增大，并且都在规范规定的范围内，这对钢筋混凝土桁架拱的整体受力是极其有利的。

5.2 加固前后桥梁承载能力极限状态验算

加固前后各控制截面承载能力极限状态的验算如表4所示。

表4 加固前后各控制截面承载能力极限状态的验算

通过表4分析可知，采用粘钢加固法能够有效地改善全桥受力情况，使得下弦杆与实腹段交界处及实腹段1/4、1/2截面的偏心距在加固后均通过验算，而且还提高了正截面强度，即桥梁的承载能力得到了提高。

5.3 加固前后桥梁结构挠度的计算分析

加固前后各控制截面DZmax见表5。

表5 加固前后各控制截面DZmax(纵向最大挠度)(单位：mm)

通过表5分析可知，采用粘钢加固法后，原桥有明显的上挠，说明粘钢加固法能够有效改善全桥的受力性能，从而有效地阻止钢筋混凝土桁架拱桥的继续下挠，并适当恢复桥结构线形。

综上所述，采用粘钢加固法，本质上是增大截面，能够提高下弦杆与实腹段中性轴的位置，使其截面大部分处于受压，从而来增大截面的刚度。从静力方面的数据分析可知，采用粘钢加固方案对提高该桥的整体刚度以及承载能力有明显效果。

6 加固前后桥梁动力特性及其稳定性分析

6.1 加固前后桥梁的自振特性分析

本文从计算的前20阶的自振模态分析，其振型包括有下弦主拱肋与桥面系的面内、面外振动和空间扭转振动以及腹杆的弯曲振动。但是在通常情况下，结构面内、面外前几阶自振频率及其对应的振型起关键的作用，故本文提取前20阶中的面内、面外各自前五阶的自振频率及其对应的振型来进行分析，具体结果见表6。

通过表6分析可知：粘钢加固法对原桥的面外和面内各阶自振频率，除个别阶次有所降低外，其余大部分都有不同程度的提高，即对全桥面内和面外整体刚度都有改善。其中，从整体上观察，对面内各阶自振频率的提高幅度要大于面外各阶自振频率的提高幅度，即对全桥面内刚度的改善状况要明显优于面外刚度。

表6 加固前后桥梁各阶自振频率及其变化统计表

6.2 加固前后桥梁的稳定性分析

本文主要是对加固前后在自重、二期荷载作用下的工况来建立有限元屈曲分析模型，从而来分析加固前后该桥的稳定性。并从计算的前20阶的屈曲模态分析，除前两阶为下弦拱肋面外横向侧倾失稳，其余均为腹杆局部失稳，本文限于篇幅，仅对原桥加固前后的前8阶的稳定安全系数进行详细地分析说明，具体结果见表7。

通过表7分析可知：该桥采用粘钢加固法后的整体结构弹性屈曲安全系数，即一阶稳定安全系数为10.243，符合一般拱桥的稳定安全系数4～5的要求[5-6]。从上表数据分析可知，采用粘钢加固方案对原桥的前8阶稳定安全系数都有不同程度的提高，即采用3种加固方案均对桥梁的整体稳定性及整体刚度都有所改善。

表7 加固前后桥梁各阶稳定安全系数及其变化统计表

综上所述，采用粘钢加固方案对于原桥的自振特性和自重及二期恒载作用下的稳定性均起到了一定的改善作用。

7 结论

本文运用MIDAS/CIVIL软件建模计算分析得到粘钢加固方案下桥梁静、动力特性及其稳定性的改善情况并与加固前作了对比，从数据分析可知粘钢加固方案对原桥静力特性及其下弦主拱肋极限承载力改善效果显著，同时对于原桥的自振特性和稳定性也有很好的改善，即该桁架拱桥采用粘钢加固方案可行。

[1]李月姚．贴钢法加固桥梁技术探讨[C]．广东省公路学会桥梁维护与加固学术交流会，2006．

[2]郭书娟，蒙云，等．粘贴钢板法加固牛鼻溪桥应用研究[J]．内蒙古公路与运输，2008(05)：25-28．

[3]谌润水，胡钊芳，帅长斌．公路旧桥加固技术与实例[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[4]中华人民共和国行业标准．JTG-D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S]．北京：人民交通出版社，2004．

[5]陈淮，胡锋，申哲会，等．斜靠式拱桥稳定性分析[J]．福州大学学报：自然科学版，2005，33(增刊)：182-186．

[6]陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工[M]．北京：人民交通出版社，1999．