某钢管混凝土拱桥加固与分析

窦魁锋

（中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016）

1 工程概况

某钢管混凝土系杆拱桥[1]，跨度布置为（60.5+251+60.5）=372m，桥面宽度31.9m，主跨拱肋采用钢管混凝土桁架结构，腹杆为空心钢管。拱肋高4.5m，上、下弦杆各为两根直径1000mm×14mm的16Mn钢管，上、下弦两根并列钢管间用12mm厚16Mn缀板连接，腹杆为直径500mm×10mm的16Mn空钢管。钢管混凝土系杆拱桥桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置示意图（单位：m）

原桥主梁为动态悬吊式结构，桥面车行道部分为简支T梁结构，支撑于钢横梁上。两侧人行道部分为简支空心板结构，支撑于钢横梁上。根据现状检测结果显示，该桥面体系的整体性不足，行车舒适性较差。该桥桥面系大面积破坏，且屡修屡坏，吊杆一旦断裂，就会出现垮塌，结构安全隐患较大。为提高该桥的整体安全性，对其动态悬吊式主梁结构体系进行改造。

2 桥梁加固方案

为提高桥面系的整体性刚度和抗风险能力，改善其行车舒适性，结合该桥目前的实际情况，考虑在桥面上增设钢纵梁。具体思路为：将桥面的简支空心板更换为钢结构连续梁。钢纵梁与原有钢横梁焊接形成整体，以加强桥梁总体刚度和整体性[2]。桥面人行道新增纵梁构造如图2所示，加固方案桥梁横断面如图3所示。

图2 新增纵梁构造图（单位：m）

图3 加固方案桥梁横断面图（单位：m）

3 加固桥梁有限元模型

本桥计算采用MidasCivil有限元软件进行空间总体计算，分别对施工阶段和成桥状态下进行了静力分析和结构动力特性分析。在结构计算中，除系杆和吊索采用索单元外，其余构件均按空间梁单元进行建模，桥面系采用纵横梁体系建模。全桥有限元计算模型如图4所示。

图4 加固桥梁有限元模型

4 加固后全桥静力分析结果

4.1 承载能力极限计算结果

4.1.1 拱肋承载能力极限状态验算

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/T D65-06—2015）[3]中第5.1.1条规定，主桥拱肋主管应采用基本组合分别按单管偏心受压及组合偏心受压构件受压承载能力验算。

由表1计算结果可知，基本组合主拱圈承载能力最小抗力系数为1.02，位于拱脚下主管，满足要求。

表1 基本组合下主拱圈承载力验算（单管受压截面）

由表2计算结果可知，基本组合下主拱圈承载能力最小抗力系数为1.02，位于L/4，满足要求。

表2 基本组合下主拱圈承载力验算（组合受压截面）

4.1.2 拱肋其他构件承载能力极限状态验算

承载能力基本组合下，拱肋剪力最大值为2910kN，位于拱脚处，抗剪承载能力为11777kN，抗力系数为3.7，抗剪承载力满足规范要求。

承载能力基本组合下[4]，风撑及腹杆最大应力为-116MPa；钢横梁最大应力为223MPa；新增钢纵梁最大应力为116MPa，均小于275MPa，满足规范要求。

4.2 正常使用阶段计算结果

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/T D65-06—2015）中第6.1.2条及附录C规定，应分别按短期及长期组合采用应力叠加法进行应力强度验算。

经计算，在正常使用阶段荷载组合下，拱肋钢管最大应力为-121MPa，风撑和腹杆最大应力为-79MPa，钢横梁最大应力为173MPa，新增钢纵梁最大应力为85MPa，混凝土最大压应力为-21MPa，系杆最大应力为1029MPa，吊杆最大应力为590MPa≤1570/2.5=628MPa，吊索安全系数大于2.5。以上结果均满足规范要求。

5 加固后桥梁动力特性分析

桥跨结构模型同样采用空间静力分析的模型，采用分块的Lancos方法实施特征值求解，并提取前五阶自振频率（周期）和模态振型。桥跨结构前五阶自振模态计算结果见表3。

表3 桥跨结构主要自振模态计算结果

由于篇幅所限，本文仅列出桥梁结构的前二阶振型图，如图5所示。

图5 拱桥的前二阶振型

6 加固后桥梁稳定性分析

根据实际情况，分别对现状桥梁和加固改造后桥梁的稳定性进行了计算[5]，各阶段稳定系数如表4所示。由此可知，各阶段的稳定安全系数均大于4，且各工况下均为整体屈曲，满足规范的要求。各工况下一阶屈曲模态如图6~图8所示。

图6 工况一：一阶屈曲模态（稳定系数6.6）

图8 工况三：一阶屈曲模态（稳定系数7.2）

表4 各主要受力阶段稳定分析结果

7 加固改造前后对比分析

7.1 行车舒适性对比

加固改造前，该桥面体系的整体性不足，行车舒适性较差。加固改造后，桥面整体稳定性有所提高，行车舒适性明显提升。

图7 工况二：一阶屈曲模态（稳定系数7.5）

7.2 桥面耐久性对比

加固改造前，因桥面系整体稳定性不足，易因桥面应力集中造成桥面系大面积破坏，且屡修屡坏。加固改造后，桥面系刚度和稳定性得到明显加强，桥面耐久性明显增强。

7.3 结构安全性（断索工况）对比

加固改造前，桥面吊杆受力复杂多变，结构安全隐患较大，断索工况存在风险。经过对动态悬吊式主梁结构体系进行改造，桥面系刚度和整体性加强，各吊杆受力均衡，吊杆受力状态较为稳定，断索工况风险显著降低，桥面吊杆的结构安全性明显提高。

8 结语

本文较详细、完整地介绍了该钢管混凝土拱桥的主要计算过程和内容，可为同类桥梁结构分析提供参考。本桥计算表明：

在成桥阶段，基本承载能力组合下，主拱圈承载能力虽能满足规范要求，但是最小抗力系数仅为1.02，安全储备富余不足，应引起重视，建议采取适当的重载限载措施。

在成桥阶段，腹杆、风撑和钢主梁等均满足受力要求，且有较大安全富余；吊杆和系杆安全系数均大于2.5，均满足规范要求。

主桥在现状稳定安全系数为6.6，加固改造成桥后的稳定安全系数为7.2，均大于4，满足规范稳定性要求，整体稳定性有所提高。