既有公路钢筋混凝土双曲拱桥加固研究

2021-01-05余学清

江西建材 2020年12期

余学清

福州市公路事业发展中心，福建福州 350002

随着交通量和交通车辆荷载在不断增加，大量在役的双曲拱桥都出现了不同程度和类型的病害，严重影响了行车安全［1］。而我国公路交通系统上目前仍有大量在役的双曲拱桥，如果对这些双曲拱桥进行加固改造，提高其承载能力，延长使用寿命，则有效节约经济成本。因此，对在役公路双曲拱桥的加固改造研究，具有重要的现实意义和实用价值。目前双曲拱桥常见的加固方法有：增大截面法、粘贴加固法、增加横向联系法等。但大部分的研究成果是针对实际独立的工程，还没有形成系统的计算分析，各种加固方法的加固机理也没有上升到理论性的研究阶段。以下就针对增大截面加固法进行阐述。

1 既有双曲拱桥结构性能分析

陀市桥全长175m，桥梁上部结构为5 跨钢筋混凝土双曲拱桥结构，原设计汽车荷载标准为汽车-10 级，履带-50。经桥梁检测发现旧桥拱肋出现径向裂缝，实腹段拱肋与侧墙结合处出现平行于拱轴线的环形裂缝等病害，该桥原桥技术状况等级评定为四类，需要进行加固维修。

为全面了解该双曲拱桥在加固维修前的结构性能，为后续加固提供科学依据，通过建立其结构有限元模型，进行数值仿真分析。加固前的陀市桥全桥结构采用平面杆系模型来模拟：将主拱圈视为一个整体，并采用弹性平面梁单元模拟，忽略横系梁的作用；桥面板和重力式桥墩均采用弹性平面梁单元模拟。

从弯矩、轴力、应力以及挠度等方面分析主拱圈关键截面的受力和变形。荷载工况的组合系数按照规范［2］要求，对于公路Ⅱ级，安全系数取1.0，恒载取1.2，车辆荷载取1.4。由于按影响线加载时，车辆荷载分别加载在影响线正值区和负值区，因此，相应的荷载工况的有两种：工况一：1.2 恒载+1.4 汽车max，max 代表在影响线的正值区加载；工况二：1.2 恒载+1.4 汽车min，min 代表在影响线的负值区加载。

通过有限元模型计算结果分别进行验算，得到γNd=15039kN<52744kN，说明原桥主拱圈截面的抗压强度满足要求；γMd=2629kN・m ＞2029kN・m，可见原桥主拱圈的拱顶截面不满足正截面受弯承载力要求。拱脚截面的最大压应力为12.70MPa，已接近C30 混凝土的轴心抗压强度设计值（13.8MPa）；拱顶截面的最大拉应力为3.77MPa，为C30混凝土轴心抗拉强度设计值（1.39MPa）的171%，说明原桥主拱圈结构的强度已经不满足要求。原桥主拱圈的最大挠度为15mm，发生在中跨的拱顶截面处。拱桥正负挠度的绝对值之和应小于跨径的1/1000，而15/30000=1/2000<1/1000，因此，原桥主拱圈刚度满足规范要求。

按公路Ⅱ级汽车荷载标准进行提载，该桥主拱圈刚度可满足要求，但其承载力不满足要求。

2 增大截面法加固既有双曲拱桥设计方案

2.1 增大截面法加固设计方案

根据该桥实际存在的病害情况，提出采用增大截面法对该桥的主拱圈进行加固，同时拆除拱上结构，进行重建。加固改造方案为：对原有拱圈采用增大截面法将原双曲拱改造为箱形拱，并将原拱式腹孔的拱上建筑改造为轻型立柱，以减少拱上建筑物的自重，抵消因拱圈加大截面所增加的自重。拱座以下的墩台、基础部分保持不变。

图1 加固改造后结构横断面图（单位：cm）

2.2 加固方案有限元仿真分析

对加固改造后的陀市桥，采用多层梁格法［2］建立其全桥结构的空间杆系模型。在对加固后的主拱圈截面进行承载力验算时，仍偏保守地将主拱圈结构视为素混凝土结构，并按圬工桥涵规范进行验算。分别采用极限状态设计法和容许应力法，对加固后的主拱圈结构进行承载力验算。

通过有限元模型计算结果分别进行验算，γNd=10557kN<64832kN，说明经增大截面法加固后，主拱圈截面的抗压强度可满足要求。γMd=3035kN・m <23697kN・m，可见经增大截面法加固后，主拱圈的拱顶截面已经满足正截面受弯承载力要求。拱脚截面最大压应力为4.57MPa，远小于C30 混凝土的轴心抗压强度设计值（13.8MPa）；最大拉应力也出现在拱脚截面，其值为0.95MPa，也小于C30 混凝土的轴心抗拉强度设计值（1.39MPa）；这说明经增大截面法加固后，新桥主拱圈结构的强度已经满足要求［3］。

经增大截面法加固后，新桥主拱圈的最大挠度为6mm，发生在中跨的拱顶截面处。拱桥正负挠度的绝对值之和应小于跨径的1/1000，而6/30000=1/5000<1/1000，因此，新桥主拱圈刚度满足规范要求。