钢板剪力墙在双幅连续梁桥结构加固中的应用研究

李松

（广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200）

0 引言

随着我国桥梁工程不断建设和维护，越来越多的老旧桥梁需要进行加固和改造，以满足日益增长的交通需求和安全要求。钢板剪力墙作为一种新颖的结构加固方法，以其高强度、高刚度和适应性强的特点，为双幅连续梁桥结构的加固提供了一种有效的技术途径。研究表明，钢板剪力墙具有紧凑的结构形式和较高的承载能力，可以在小幅度改变原有结构的情况下，显著提升桥梁的整体性能。然而，现有研究多集中于单幅桥梁的加固，对双幅连续梁桥结构中钢板剪力墙的应用研究尚显不足。因此，本文深入探讨钢板剪力墙在双幅连续梁桥结构加固中的适用性和效果，针对其施工和设计等方面进行创新性的研究，以期为实际工程应用提供科学的依据和技术支持。

1 工程概况

某桥梁为双幅连续梁桥结构，全长为800 m，平均跨度约40 m，跨度范围为30～55 m，标准公路荷载（包括车辆荷载、行人荷载等）。该桥梁建造于20世纪80年代，经历了数十年的使用和环境侵蚀，结构存在一定程度的老化和劣化现象。近年来，该地区交通负荷不断增加，车辆荷载和交通流量超过了桥梁最初设计的预期，导致结构承载存在较大的压力。为确保行车安全和满足人们的出行需求，需要对该桥梁进行加固。对桥梁进行加固施工，首先要进行现场调查和结构评估，包括结构的强度、刚度、稳定性和变形情况等；其次要通过计算和模拟分析，评估桥梁的结构安全性和承载能力。

2 研究方法和模拟分析

2.1 加固前的建模和分析

2.1.1 建模

对双幅连续梁桥的结构进行建模，包括桥面板、梁、支座等结构元素，并确定结构的材料和截面尺寸等参数。利用ANSYS 有限元软件建立双幅连续梁桥的三维有限元模型（如图1所示）。

图1 双幅连续梁桥的三维有限元模型图

2.1.2 静力和动力特性分析

对双幅连续梁桥的静力特性进行分析，包括自重、荷载、支座反力等，并求解结构的内力和变形，具体数据见表1。同时，对双幅连续梁桥的自然频率和振型等动力特性进行分析，确定结构的动力响应［1］，具体数据见表2。

表1 双幅连续梁桥加固前的主要参数和内力

表2 双幅连续梁桥加固前的动力特性

根据分析结果，双幅连续梁桥存在以下问题：①最大弯矩达到1 000 kN·m，说明桥梁结构在荷载作用下存在较大的弯曲变形。②最大剪力达到500 kN，说明桥梁结构在荷载作用下存在较大的剪切变形。③桥梁的自然频率为10 Hz，与行驶其上的车辆频率相近，引起共振的概率高，容易损坏桥梁［2］。④桥梁的动力响应为2 cm，说明桥梁在行驶车辆的作用下会产生较大的振动，可能会影响行驶车辆的稳定性和安全性。综上所述，需要对双幅连续梁桥进行加固和改造，提高桥梁的承载能力和抗震性能，减小桥梁的振动响应，确保车辆安全通行。加固和改造的具体措施可以根据桥梁的实际情况和需求进行设计和实施。

2.2 钢板剪力墙的设计和加固方案

钢板剪力墙是一种常用的建筑结构加固和改造方式，它能够有效地提高建筑结构的抗震能力和承载能力。

2.2.1 设计

（1）材料选择。钢板剪力墙的主要材料为钢板和焊接材料，需要选择强度高、韧性好、耐腐蚀的材料，如碳素结构钢、低合金高强度钢等。

（2）墙体位置。钢板剪力墙的位置需要根据建筑结构的受力情况和抗震要求确定，一般选择在建筑的竖向和水平向受力较大的位置。同时，需要考虑墙体的布置和间距，以满足建筑整体稳定性和均匀性的要求［3］。

（3）墙体尺寸。钢板剪力墙的尺寸需要根据建筑结构的受力情况和抗震要求确定，一般选择墙体厚度为100～300 mm，墙体高度为建筑高度的1/4～1/3，墙体长度为建筑长度的1/4～1/3。

2.2.2 加固方案

（1）加固墙体。钢板剪力墙的墙体需要采用高强度钢板进行加固，加固厚度一般为2～4 mm。同时，需要在墙体中设置水平支撑和竖向支撑，提高墙体的整体稳定性和抗震能力。

（2）加固连接。钢板剪力墙的连接需要使用高强度螺栓或焊接连接，确保墙体和结构体系之间的连接牢固可靠，同时避免连接部位的损坏和失效。

图2 和表3 为钢板剪力墙加固前后建筑结构的抗震性能和承载能力的比较。从表3中的数据可以看出，钢板剪力墙的加固和改造能有效地提高建筑结构的抗震能力和承载能力。同时，钢板剪力墙的加固和改造也会对建筑结构的动力响应和振动响应产生影响。因此，在进行钢板剪力墙的加固和改造时，需要综合考虑建筑结构的抗震要求、承载要求和动力响应要求，并对加固和改造后的建筑结构进行监测和评估，确保其安全、可靠。

表3 钢板剪力墙加固前后建筑结构的承载能力比较

2.3 加固后的双幅连续梁桥结构质量控制措施

针对加固后的双幅连续梁桥结构，可行的质量控制措施如下。

（1）设计控制。加固设计应严格按照相关规范和标准进行，确保设计方案合理、可行，并满足结构的刚度、稳定性、抗震性能等要求。在设计过程中，应充分考虑原有结构和加固结构的相互作用，避免加固后的结构出现新的问题。设计方案应经过专业审核并进行模拟分析和实验验证，确保设计方案的有效性［4］。

（2）施工控制。加固施工应严格按照设计方案及施工规范和标准进行。在施工过程中，应注意施工质量和安全，对施工过程进行监控和检查，及时发现和纠正施工中的问题。此外，要注意加固结构与原有结构的衔接和协调，确保加固后的结构满足设计要求。

（3）检测控制。应对加固后的梁桥结构进行定期检测和评估，检测内容包括结构的变形、应力、内力、位移等。检测工作应由专业机构使用专业设备和技术，按照施工规范和标准进行检测。根据检测结果，及时分析和判断结构的状态，对问题进行处理和修复，保证结构的可靠性和稳定性。同时，应将检测结果进行记录和归档，作为今后工作的参考。

以上并非全部控制措施，具体控制措施应根据具体情况进行确定。同时，需要充分考虑工程造价和时间等因素，在保证质量和安全的前提下，尽可能地缩短工期、降低工程成本。

3 结果与讨论

3.1 加固前后的结构响应和性能对比

表4 为梁桥加固前后的结构响应和各项性能的对比，从各项指标均能看到桥梁结构在加固后得到明显的改善和提高。

3.2 钢板剪力墙在加固中的作用和效果评估

钢板剪力墙在加固中的作用主要包括提高结构的刚度、承载能力和稳定性，同时改善结构的抗震性能。表5为钢板剪力墙加固前后的对比结果。

表5 评估钢板剪力墙加固效果

从表5 中的数据可以看出，钢板剪力墙加固后，结构的刚度系数、剪力承载力和屈曲荷载均得到提高，分别提高了60%、83%和100%。同时，在地震作用下，结构的峰值加速度降低40%，得到了明显的改善。这些数据表明，钢板剪力墙加固对结构的刚度、承载能力和稳定性有显著的改善效果，并能提高结构的抗震性能。

4 加固方案的实际施工

4.1 施工前准备

在加固方案实际施工前，需要进行充分的准备工作。首先，对加固对象进行详细的勘测和评估，确定加固方案和施工方案。其次，制订施工计划和安全措施，确保施工过程的安全性和施工质量。最后，需要准备好所有工具、材料和设备，确保施工顺利进行。

4.2 施工过程

准备工作完成后，开始进行加固方案的实际施工，具体的施工过程包括以下几个方面：①清理加固表面。将加固表面的灰尘、油污等杂物清理干净，确保加固表面干净、光滑。②焊接或用螺栓连接钢板。根据加固方案，将钢板焊接或用螺栓连接到剪力墙表面，连接必须牢固、稳定。③焊接或用螺栓连接角钢。根据加固方案，在钢板上焊接或用螺栓连接角钢，增强钢板的稳定性和承载能力。④加固板和角钢的防腐处理。对加固板和角钢进行防腐处理，延长加固结构的使用寿命。在加固方案施工完成后，需要进行检查和测试，确保加固效果符合设计要求。

4.3 加固后的结构监测与评估

对于加固后的结构，需要进行长期监测和评估，具体的监测和评估内容包括以下几个方面。

（1）结构变形监测。通过设置变形监测仪器，对加固后的结构进行变形监测，记录结构的变形情况，判断加固效果的稳定性和持久性。

（2）应力监测。通过设置应力监测仪器，对加固后的结构进行应力监测，记录结构的应力变化情况，判断结构的承载能力是否发生变化。

（3）振动监测。通过设置振动监测仪器，对加固后的结构进行振动监测，记录地震或其他外力作用下结构的振动情况，判断结构的抗震性能是否提高。

（4）破坏检测。定期对加固后的结构进行破坏检测，检查结构表面是否出现裂缝、变形等破坏情况，以及加固材料的脱落、锈蚀等情况，以便及时发现和处理结构的破坏问题。

（5）数据分析和评估。对监测数据进行分析和评估，比较加固前后结构的变化情况，判断加固效果的稳定性和持久性，总结加固方案的优点和缺点，为今后的加固工作提供经验和参考。

加固后的结构监测和评估是一个长期的过程，需要定期进行，并根据实际情况进行调整和改进。在进行监测和评估工作的同时，需严格遵守相关的安全规定和操作规程，保障工作的安全性和质量。

5 结语

将钢板剪力墙应用在双幅连续梁桥结构加固中，可以有效地提高双幅连续梁桥结构的承载能力和抗震性能，延长桥梁使用寿命，具有重要的应用价值。通过对钢板剪力墙加固技术的研究和实践，可以不断优化加固方案和施工工艺，提高加固效果和施工质量。未来，钢板剪力墙加固技术将在桥梁工程中得到更广泛的应用，因此需要进一步深入研究其加固原理和加固效果，不断提高加固技术和施工工艺，探索新的加固方案和材料，以满足城市桥梁不断发展和变化的需求。同时，需要加强加固后的结构监测和评估工作，保证加固效果的稳定性和持久性，为城市桥梁的安全运行提供坚实的保障。