基于Ansys实体模型分析的圬工拱桥混凝土套拱加固方法研究

【摘 要】以四川省巴中市巴河大桥检测与加固工程为背景，通过对该桥的现场检测与静、动载试验，找到其存在的缺陷及损伤。根据检测结果选择混凝土套拱加固法对拱桥进行加固。通过Ansys实体模型对加固施工的全过程进行模拟分析，得到加固过程中拱桥原结构与加固结构的位移、受力情况和全桥的刚度提升水平。结果表面混凝土套拱加固法可以有效应用于众多的圬工拱桥加固工程中。

【关键词】圬工拱桥; 混凝土套拱加固; Ansys实体模型; 刚度提升

【中图分类号】U445.7+2【文献标志码】A

圬工拱桥，尤其是石拱桥，在我国有悠久的历史。据不完全统计，在中国的各类型桥梁中，拱桥约占61 %，特别是在山高谷深，石料丰富的四川地区，拱桥占90 %以上，以圬工拱桥数量最多。但是，该类圬工拱桥大多修建年份较久远，在自然环境的侵蚀和日渐增长的交通荷载影响下，出现了不同程度的损伤。为了解桥梁现状，保证结构的安全，必须通过检测，对存在问题的桥梁采取必要的加固措施。混凝土套拱加固法作为众多加固方法中的一种，由于其增大受力截面和套箍效应的作用使旧拱桥整体受力均匀，能达到增强整体性，提高承载力的目的，已被广泛应用于圬工拱桥的加固中[1] 。

1 工程背景

本项目巴河大桥位于位于四川省巴中市平昌县省道202线公路，中心桩号K247+513.42，桥梁跨径组合为（3×10+4×50+10） m浆砌块石无铰石拱桥，桥梁全长290 m，桥面组合为（1.9+7.0+1.9） m;下部结构采用U型桥台，扩大基础;桥面铺装为沥青混凝土。该桥设计汽车荷载等级为汽车-20级，设计安全等级为二级。

2 桥梁检测结果评定

2.1 旧桥现有参数测定

根据现场检测，巴河大桥主体结构采用圬工砌体结构，其主拱圈为M10砂浆砌MU60块石，立墙为M10砂浆砌MU60块石，腹拱拱圈采用M10砂浆砌MU60块石。表1、表2分别是根据检测结果提取的全桥主要几何参数与圬工材料参数表。

2.2 试验检测结论

根据现场检测该桥的损伤情况，并结合桥梁技术规范，该桥现总体评定为三类桥。根据静载和动载试验结果，该桥承载力和整体刚度满足设计荷载等级（汽车-20级，挂车-100级）要求。建议按照JTG H11-2004《公路桥涵养护规范》的规定，对该桥进行中修，酌情进行交通管制;对拱圈渗水进行处治，建议对拱圈进行加固。对桥面铺筑破损开裂进行修复处治，建议对桥面铺筑进行进行挖除重建。对该桥其余病害进行处治[2] 。

3 拱桥加固处治方案

根据检测报告计算结果，该桥主要构件存在轻微功能性病害，技术状况评定为3类桥，需要对其进行加固处治。

3.1 桥面系

（1）按人行道位置桥面凿除46 cm厚度的标高控制，横桥向水平凿除桥面，上缘40 cm厚原侧墙均凿除，重新依次铺筑C15混凝土垫层、防水卷材、现浇C40钢筋混凝土桥面板、防水粘结层和沥青混凝土桥面铺装。桥面板及沥青桥面铺装在起止点桥台伸缩缝位置及桥跨伸缩缝位置应设置竖向通缝，并增设80型伸缩缝。

（2）原人行道及栏杆均凿除，重新浇筑钢筋混凝土缘石及铺设钢筋混凝土人行道板，栏杆均更换为钢栏杆。

3.2 上部结构

（1）主拱圈、腹拱圈砌缝和裂缝采用高压灌注环氧水泥砂浆进行封闭补强;对4#～7#主拱圈采用增大截面法的加固技术，拱脚部分采用钢筋混凝土套箍加固，其余部分采用拱腹下衬C40钢筋混凝土拱板加固[3]。

（2）对全桥腹拱及引拱采用增大截面法的加固技术，通过拱腹下衬C40钢筋混凝土拱板进行加固。

（3）原侧墙全部更换为C20混凝土侧墙。

3.3 下部结构

将原桥桥墩出现的灰缝脱落采用M10水泥砂浆进行勾缝，并采用钢筋混凝土套箍加固技术进行加固。

4 Ansys实体模型加固过程分析

4.1 实体模型建立

计算结构采用SOLID65单元模拟，此单元有8个结点，每个结点3个自由度。该单元具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变的功能。每个单元都有2×2×2个高斯积分点，见图2。建立Ansys实体模型见图3。

在结构模型的基础底面位置，约束面上所有自由度，形成固结;埋置于岩土中的墩台面上约束结构顺桥向自由度，边界条件见图4。

计算荷载主要有：重力、二期恒载、整体温度荷载、汽车荷载和人群荷載。

结构重力系数取为9.8 m/s2。温度按升温18 ℃，降温18 ℃考虑，结合圬工规范拱桥温度效应考虑折减系数0.7，取升温12.6 ℃，降温12.6 ℃[4]。

二期恒载为栏杆和人行道板，单侧每延米重量：10 kN/m。（模型中沿桥宽方向均匀满布，均布荷载为P1=10×2/10.8=1.85 kN/m2）

车道荷载按公路-I级加载，模型中沿桥宽方向均匀满布，不考虑折减。车道均布荷载P2=10.5×2/10.8=1.94 kN/m2。车道荷载中的集中力，主拱上每个车道集中力总和为360 kN，分为11个节点进行加载，每个节点承担F1=360×2/11=65.45 kN。引拱上11个节点各承担F2=200×2/11=36.36 kN。

人行道，两侧各1.7 m宽，人群荷载对结构影响较小，按满布人群荷载考虑：3 kN/m2。（模型中沿桥宽方向均匀满布，均布荷载为P3=3×1.7×2/10.8=0.94 kN/m2）。

通过Midas计算得到的汽车荷载影响线布置活载，分三种情况布置。

（1）活载按对主拱拱顶截面最不利情况，按影响线布载见图5。

（2）活载按对主拱1/4截面最不利情况，按影响线布载见图6。

（3）活载按对主拱拱脚截面最不利情况，按影响线布载见图7。

4.2 加固施工阶段

本计算准确应用应力叠加原理模拟原桥成桥和加固过程，包括施工过程和成桥后使用阶段：

（1）裸拱自重。

（2）立墙、腹拱圈加载。

（3）填料加载。

（4）桥面加载（原桥成桥）。

（5）主墩加固并去除桥面。

（6）主拱加固。

（7）腹拱加固。

（8）桥面加载（加固完成）。

（9）加固混凝土收缩（按降温20 ℃考虑，据圬工规范折减为45 %，取降温9 ℃）

（10）整體温度变化（升温/降温）

（11）车道及人群荷载（分别对3个主拱控制截面最不利影响考虑。）

整个加固施工过程采用非线性单元生死技术计算。在计算过程中，如果要在模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就“存在”（或消亡）。要激活“单元死”的效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子[ESTIF] ，因子缺省值为1.0×10-6，死单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效[5] 。

4.3 加固分析结果

4.3.1 应力分析

（1）主应力分析

图8～图11为模型：原桥（CS4）、加固完成（CS8）工况主拱圈主拉应力云图和迹线图，从图中可以看出，立柱与主拱圈结合处由于应力集中，应力水平较大，其余部位主拉应力水平均较小。

图12～图15为模型：原桥（CS4）、加固完成（CS8）工况主拱圈主压应力云图和迹线图。最不利荷载作用下，主拱圈拱顶主压应力小于-1.11 MPa，拱脚主压应力小于-2.37 MPa;均小于其抗压强度标准值。

表3、表4为各阶段主拱圈与腹拱圈主应力表（表中主应力仅作为参考，包括应力集中值），从表中可以看出加固后主拱圈主拉应力最大值与加固前基本相同，均为0.1 MPa。但是混凝土收缩对主拱圈主拉应力有较大影响。

对比表3、表4可见，整体降温对主拱圈受力不利，主拱圈最大拉应力增大约0.32 MPa，而对腹拱受力有利，主拉应力减少约0.15 MPa。

整体升温对主拱圈受力有利，主拱圈最大拉应力减小约0.32 MPa，而对腹拱受力不利，主拉应力增大约0.16 MPa。

（2）正应力分析

下面提出拱顶、拱脚、1/4主拱截面的各阶段正应力值，对比原结构与加固结构的受力情况（以加固完成阶段为例）见图16～图19。

按此步骤依次分析各阶段拱桥控制截面原结构与加固结构的正应力，得到表5、表6。

由表5、表6可知，加固后原桥主拱圈在后续工况下仍全截面受压。而钢筋混凝土加固结构在收缩、降温及车道荷载作用下会产生拉应力，经计算其最大裂缝为0.09 mm，满足规范0.2 mm的要求。

4.3.2 位移分析

表7、表8为模型（降温/升温）工况下主拱圈最大竖向位移。可以看出：实体模型在原桥恒载作用下，主拱圈最大竖向位移为14.2 mm，加固后主拱圈最大竖向位移为13.4 mm，部分卸载情况下加固主拱圈，主拱位移有较小的上挠值。

总体来看，实体模型的竖向位移值为：降温最不利荷载作用下，最大位移26.3 mm;升温最不利荷载作用下，最大位移17.4 mm。

4.3.3 模态分析

对原桥和加固后全桥进行模态分析，主要提取其一阶竖向自振频率进行比较，分析其刚度变化（图20、图21）。

可见原桥一阶竖向自振频率为1.051 Hz，加固后全桥一阶竖向自振频率为1.521 Hz。加固对拱桥的刚度提高效果很明显。

5 结论

加固后，原主拱圈在所有荷载工况下，拱顶、拱脚和1/4截面均未出现拉应力，且压应力小于4.22 MPa，在允许范围内。主拱混凝土加固部分最大裂缝宽度小于0.2 mm，在允许范围内。车道荷载对原结构影响相对减小，大部分被加固结构承担，表明混凝土套拱加固对巴河大桥承载力提升有利。

加固混凝土的收缩与整体升温、降温工况对全桥影响较大：混凝土收缩导致加固结构本身产生较大拉应力，对原砌体结构略有不利影响;降温工况对加固结构不利，对原砌体结构也较为不利;升温工况对加固结构有利，对原砌体结构影响不大。

由模态分析结果可以得出，加固后全桥竖向一阶自振频率较加固前有明显提高，表明结构竖向刚度增加，套拱加固对结构刚度提升效果明显。

参考文献

[1]周建庭，刘思孟，李跃军. 石拱桥加固改造技术[M].北京：人民交通出版社.2008.

[2]JTG H11-2004 公路桥涵养护规范[S].

[3]JTG /T J22-2008 公路桥梁加固设计规范[S].

[4]JTG D61-2005 公路圬工桥涵设计规范[S].

[5]王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.

[定稿日期]2021-01-13

[作者简介]曾仲（1989～），男，硕士，工程师，从事桥梁设计及桥梁结构方向研究。