基于MIDAS/CIVIL的桥梁加固结构分析

胡帅军, 李泽栋， 石安宁， 鲍 宇

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于MIDAS/CIVIL的桥梁加固结构分析

胡帅军, 李泽栋， 石安宁， 鲍 宇

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

针对年限较旧，需要维修加固的桥梁，以九江长江大桥公路桥加固改造工程为例，在结构分析软件 MIDAS 里，建立预应力混凝土简支T梁模型。为分析引桥T梁施工过程中墩侧支架受力情况，在结构建模时将支架同时建立在T梁模型中，按照极端偏载工况、边跨支架拆除后等工况进行分析，并根据主梁的验算结果对桥墩和支座进行验算。

桥梁加固； Midas； 承载力； 验算

1 工程概况

九江长江大桥位于长江中游的江西、湖北、安徽三省交界处，大桥北接湖北省黄冈市黄梅县小池镇，南接江西省九江市，是国道G105和京九铁路的重要过江通道。九江长江大桥桥位如图1所示

图 1 工程地理位置图

九江长江大桥由正桥和南北两岸公路、铁路引桥组成，铁路桥全长为7676.09 m，公路桥全长4460.122 m(桩号1301+382.345～1305+842.467)。其中正桥为公铁两用，两侧引桥各有三跨为公铁合用，其余桥跨引桥为公、铁分离的桥梁[1]。九江长江大桥总体布置见图2。

图 2 九江长江大桥总平面布置图

2 加固改造计算分析

2.1结构改造简述

九江长江大桥引桥为预应力混凝土简支T梁，T梁标准跨径为40.7 m，梁长40.668 m，计算跨径为39.6 m。T梁横桥向布置8片，间距2.2 m，梁高2.3 m。预制T梁顶面宽1.8 m，翼缘板厚度为17～19.9 cm，湿接缝宽40 cm，厚17 cm；T梁马蹄底宽64 cm；T梁腹板厚度在支点附近由64 cm变厚至18 cm；每跨跨中及支点处设有横隔板，中横隔板厚30～20 cm，端横隔板厚28～20 cm。

T梁混凝土标号为500级，封头混凝土标号为400级；预应力钢束为24根∅5 mm高强度钢丝，孔道直径为54 mm，边梁14束，中梁13束。高强度钢丝fpk=1600 MPa，Ep=2.0×105 MPa，锚下控制应力为0.75fpk。

支座为钢辊轴支座，单跨上坡端为活动支座，下坡端为固定支座。本次改造后，引桥仍维持简支结构，跨径、梁长、计算跨径均无变化，支座、墩台、基础仅进行耐久性维护。主要改造内容为：将桥面布置调整，行车道宽度由14 m拓宽为15 m，人行道宽度由2.25 m减小至1.75 m；新做人行道及栏杆采用钢结构；在每跨1/4跨位置增设钢结构横隔板；重做桥面铺装，钢筋混凝土垫层由5～15.5 cm调整为4.25～15.5 cm，仍为5 cm沥青混凝土面层[2]。

2.2结构检算工况

针对引桥T梁加固改造，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)，检算计算荷载标准为公路-Ⅰ级，按照4种情况(4种工况)进行了全面比较分析：

工况A：现状结构，梁底不增设预应力碳纤维板，桥梁安全等级为一级；

工况B：结构改造，梁底不增设预应力碳纤维板，桥梁安全等级为一级；

工况C：结构改造，梁底不增设预应力碳纤维板，桥梁安全等级为二级；

工况D：结构改造，梁底增设预应力碳纤维板，桥梁安全等级为一级；

1)现状结构，指维持现有桥面布置，人行道、栏杆、铺装均未改动，主梁共有3道横隔板。

2)结构改造，指桥面布置改造，行车道加宽，人行道变窄，人行道及栏杆更换为钢结构、重新铺装，主梁增设2道横隔板后共有5道横隔板[3]。

3)梁底增设预应力碳纤维板，是指在每跨边梁及次边梁的梁底各增设 3 根预应力碳纤维板，型号为 50 mm×3 mm，控制应力f=0.5fpk=0.5×2400 MPa=1200 MPa。

2.3检算模型

检算按照梁格法建立整孔模型，利用 midas 软件进行计算：

现状模型见图3。

图 3 引桥现状模型

改造后模型见图4。

图 4 引桥改造后模型

2.4主要计算参数

计算跨径：39.6 m(梁长 40.7 m)；梁体混凝土强度：500 号；预应力束：高强度钢丝，fpk=1600 MPa，Ep=2.0×105 MPa， 锚下控制应力为0.75fpk；横隔梁：现状结构 3 道混凝土横隔梁，改造后增设 2 道钢结构横隔梁；支座：刚性支座，一端固定，一端活动；永久作用：梁体混凝土收缩及徐变作用、 高强度钢丝预加力；梁体自重按26 kN/m3取值；桥面铺装及人行道(栏杆)按照改造前后实际计算[4]。

3 计算分析结果

3.1正截面抗弯承载力

各种工况下各片梁正截面抗弯承载力计算结果见表1。由计算结果可知：1)若按照一级安全等级，不采用预应力碳纤维板对T梁进行补强加固，现状结构、改造结构各片梁跨中正截面抗弯承载力基本满足规范要求(不足均在5%以内)。2)若按照二级安全等级，不采用预应力碳纤维板对T梁进行补强加固，改造结构各片梁跨中正截面抗弯承载力均满足规范要求，且有4%～8%的富裕[5]。3)若按照一级安全等级，采用预应力碳纤维板对边梁、次边梁进行补强加固，改造结构各片梁跨中正截面抗弯承载力均满足规范要求，但仅有1%的富裕。

表1 各片梁正截面抗弯承载力计算结果

3.2斜截面抗剪承载力

各种工况下各片梁斜截面抗剪承载能力计算结果见表2 。由计算结果可知：

1)若按照一级安全等级，不采用预应力碳纤维板对T梁进行补强加固，现状结构、改造结构各片梁变截面Ⅱ抗剪承载力均基本满足规范要求(不足均在5%以内)；但是，各梁变截面Ⅰ的截面尺寸均不满足规范要求。

2)若按照二级安全等级，不采用预应力碳纤维板对T梁进行补强加固，改造结构各片梁各截面抗剪承载力均满足规范要求，且有较大富裕；同时；除2#梁的变截面Ⅰ外，其余各梁各截面尺寸均满足规范要求。

3)若按照一级安全等级，采用预应力碳纤维板对边梁、次边梁进行补强加固，各片梁各截面抗剪承载力均满足规范要求；但是，各梁变截面Ⅰ的截面尺寸均不满足规范要求。

表2 各片梁斜截面抗剪承载能力计算结果

4 结论

通过应用桥梁结构有限元分析软件Midas，建立有限元分析模型，对九江长江大桥引桥T梁模型进行受力分析，新换T梁的各种最不利荷载效应组合均能满足规范的相关要求,承载能力及使用性能均得到明显改善[6]。对该桥进行了碳纤维加固设计模拟分析，得出如下结论。

1)采用桥面连续的主要目的是为了减少伸缩缝，提高行车舒适性；采用结构连续的主要目的除了前述两点之外，同时也提高了T梁的承载能力。

2)结构连续后需增设墩顶负弯矩预应力钢束，考虑到既有T梁翼板较薄、1/4跨出处无横隔板，负弯矩钢束的锚固极为困难，结构连续实现难度太大。

3)在极端偏载工况下的数据显示，总体来说，T梁的变形均比较小，支架体系具备良好的刚度和强度，能够抵抗极端偏载的状况[7]。但应加强该处钢管与梁体的连接措施，以抵抗拉力，确保施工过程的安全和稳定。

[1] 田执祥 . 天津开启桥钢箱梁半支架悬拼施工技术 [J]. 建筑技术,2012,43(4)：370-373.

[2] Hladik C M, Simmen B. Taste perception and feeding behavior in nonhuman primates and human populations[J]. Evolutionary Anthropology Issues News & Reviews, 1996, 5(2):58-71.

[3] 孙奇娜，李俊峰，王建龙．放射性废物水泥固化研究进展[J].原子能科学技术,2010(12)：22-30.

[4] 谭永高,陈毅明.装配式T梁空间分析与平面杆系分析的对比研究[J].交通科技,2007(6)：23-25.

[5] 王富万,杨文兵.梁格法在桥梁上部结构分析中的应用[J].华中科技大学学报(城市科学版),2006,2(1):34-38.

[6] 周建庭,郝义,沈小俊,等.截面转换加固T梁桥技术的试验研究[J].公路交通科技,2006,23(5):45-49

[7] 张广寅.混凝土简支梁桥单梁受力病害原因与维修加固措施探讨[J]天津建设科技,2010(4):43-45．

[责任编校：张岩芳]

AnalysisofBridgeReinforcementStructureBasedonMIDAS/CIVIL

HU Shuaijun, LI Zedong, SHI Anning, BAO Yu

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

Aiming at the old bridges which need maintenance and reinforcement, this paper,taking Jiujiang Yangtze River Bridge highway bridge reinforcement project as an example, establishes the prestressed concrete simply supported T-beam model with the structural analysis software MIDAS. In order to analyze the stress of the pier lateral support during the construction of the bridge T-beam, the bracket is modeled at the same time in the T-beam model, and the analysis is carried out according to the extreme load conditions. According to calculation results of the main beam, the bridge pier and bearing is then checked. The modeling and reinforcement design for the old bridges is of guiding significance in practical engineering.

bridge reinforcement；MIDAS；bearing capacity；solution

2016-10-14

胡帅军(1992-)， 男， 湖北黄梅人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为道路与桥梁工程

1003-4684(2017)05-0042-03

TU997

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