填芯法加固雙曲拱橋的有限元分析及運用

刁 硯，錢永久，王振領(lǐng)

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都610031)

雙曲拱橋在我國上世紀(jì)60、70年代曾風(fēng)靡一時，特別在一些交通不方便的山區(qū)丘陵地帶，更是得到了廣泛采用。

然而，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸量的大增，荷載等級的提高，不少雙曲拱橋都出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的開裂，特別是拱波部分，出現(xiàn)了明顯的縱向裂縫，使其承載能力受到影響，存在安全隱患。因此對于目前在役的大量雙曲拱橋，用合適的加固方法進行加固后繼續(xù)使用，有著較好的社會效益及經(jīng)濟效益。

1 填芯法的概念與優(yōu)點

目前工程中對雙曲拱橋的加固，多采用“填芯”加固方法。所謂“填芯”，其實就是用混凝土將雙曲拱橋填平為板拱，同時，為確保新老結(jié)構(gòu)共同作用，填芯混凝土采用自密實微膨脹混凝土，并在原拱波表面鑿毛和植筋以增加新老結(jié)構(gòu)的黏結(jié)，并適當(dāng)配以縱向鋼筋以提高抗拉強度的方法。

該方法主要有以下優(yōu)點:

1)由于增大了截面面積，增配了縱向鋼筋，可有效地提高承載能力。

2)提高受力的整體性。雙曲拱從斷面上看相當(dāng)于肋板拱，雖有橫向聯(lián)系，但受力時整體性仍然較差，“填芯”可加強主拱圈的橫向聯(lián)系，提高受力整體性。

3)相對于其他加強橫系梁或改造拱上結(jié)構(gòu)的辦法來說，“填芯”加固方法施工簡便，效果顯著，經(jīng)濟性好，改造費用不高。

這里需要特別說明的是，填芯法是要達到增大拱圈截面提高整體性的作用，而不是再造一個拱圈與原拱圈形成一個疊合拱的形式;因此，填芯部分需與原拱圈緊密結(jié)合，整體受力，而不是疊合拱的按剛度分配的受力模式。

2 工程實例

2.1 橋梁狀況

四川郫縣清安橋位于郫縣新民場鎮(zhèn)，為跨越徐堰河上的一座橋梁。橋梁結(jié)構(gòu)形式為2×15 m的混凝土實腹雙曲拱橋，主拱圈為預(yù)制弧形拱波拼裝而成(圖1、圖2)，橋面寬度8.4 m，于1982年建成通車。由于長時間超負(fù)荷運營，導(dǎo)致存在一定的病害，出現(xiàn)了一定程度的損傷。

圖1 全橋照片

2.2 有限元計算分析

2.2.1 計算分析說明

根據(jù)現(xiàn)場檢測，該橋各處拱波上凹底部(見圖2)均開裂且裂縫縱向貫通(在我們所檢測加固的雙曲拱橋中，拱波上凹底部縱向貫通裂縫是一種非常普遍的病害，幾乎可以說是雙曲拱橋的通病)，因此主拱圈可考慮為由5根拱肋(單根形狀見圖3)相互鉸接而成，并采用計算荷載橫向分布系數(shù)的方法來確定單根肋的受力情況，建模時選取荷載橫向分布系數(shù)最大的一根肋進行計算。計算分析按以下要求進行:

圖2 原橋橫截面

1)計算分析荷載采用公路—Ⅱ級車道荷載進行驗算;

2)計算分析時考慮溫度影響，按均勻溫升20℃、均勻溫降20℃分別計入;

3)側(cè)墻、填料及橋面系等重量，采用梯形分布荷載施加在模型上;

4)計算分析時依據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)第5.1.1條對主拱圈各截面彎矩進行了折減。

2.2.2 結(jié)構(gòu)計算模型

計算分析采用橋梁有限元計算軟件橋梁博士進行計算，全橋共劃分29個單元、30個節(jié)點，計算模型如圖3。

圖3 清安橋有限元計算模型

2.2.3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

根據(jù)交通部《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》(1988)的有關(guān)舊橋檢算承載能力的提高或折減的有關(guān)規(guī)定，荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)。

由于篇幅有限，這里僅列出了承載能力極限狀態(tài)下拱腳截面的計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)抗力均按規(guī)定進行了折減，由于有連拱作用，拱圈的內(nèi)力在全拱圈分布并不完全對稱，因此分別列出了靠近橋臺的拱腳與靠近橋墩的拱腳截面的計算結(jié)果(見表1)。

表1 加固前第一跨拱腳強度計算結(jié)果

計算結(jié)果表明拱腳截面強度不能滿足04橋規(guī)［3］公路Ⅱ級荷載等級要求，須進行加固。

2.2.4 填芯法加固的有限元分析

用填芯法加固主拱圈，由于填芯混凝土與錨筋的作用，使原有拱圈與后加混凝土部分在錨筋的作用下形成了一個板拱的形式，同時，加固時橋面使用整塊的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板(板內(nèi)橫向張拉預(yù)應(yīng)力)進一步增強拱圈受力的整體性(參見圖6)。根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》第5.1.3條的要求，計算時須考慮活載均勻分布于拱圈全寬，因此加固后主拱圈按整體計算(見圖4)。

填芯法加固在時間上還需考慮混凝土收縮徐變的影響，因填芯部分混凝土是在原橋建成幾十年之后才添加上去的。橋梁博士里面對于收縮徐變的模擬是通過延長施工階段的時間來實現(xiàn)的，而填芯法加固過程可以通過橋梁博士里面的“附加截面”來實現(xiàn)，填芯混凝土作為原橋各單元的附加截面，從添加到參與受力需要下述三個施工階段，用以模擬填芯法加固:

1)第一個施工階段是原橋建成后時間的增加，約為30～40年，用以模擬原橋建成至今的收縮徐變天數(shù);

2)第二個施工階段為“計入自重階段”，填芯混凝土的自重以荷載的方式作用于原主拱圈，但并不參與受力;

3)第三個施工階段為“參與受力階段”，填芯混凝土在該階段達到設(shè)計強度后做為主拱圈的一部分參與受力。

圖4 清安橋加固后有限元計算模型

加固后的計算結(jié)果如表2所示，可見原先不能滿足要求的拱腳截面，其結(jié)構(gòu)抗力在加固后大大提高。

表2 加固后第一跨拱腳強度計算結(jié)果

2.3 加固方案的實施

本橋根據(jù)現(xiàn)場檢測評估報告及有限元計算分析比較結(jié)果確定了以下加固方案，并隨后實施。

1)拱肋“填芯”混凝土加大了拱肋截面，并對原橋增配鋼筋，提高主拱圈承載能力及受力的整體性。為了保證施工質(zhì)量，確保新老結(jié)構(gòu)共同作用，填芯混凝土采用自密實微膨脹混凝土，并在原拱波表面鑿毛和植筋以增加新老結(jié)構(gòu)的黏結(jié)。見圖5。

2)拱上建筑不變，拱上填土不動，只鑿除橋面系，新鋪鋼筋混凝土墊層，加無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力橋面板(板內(nèi)橫向張拉)懸挑人行道系，使汽車荷載橫向分布效應(yīng)更加均勻，增強拱橋受力的整體性［4］。

圖5 用填芯法加固后的立面及橫截面

2.4 相同的案例

四川涼山州的慶恒橋為1×30 m的空腹式雙曲拱橋。橫向由5片拱肋組成，拱肋間設(shè)置9根小橫梁連接，橋面凈寬6.0 m。竹核橋位于涼山州昭覺縣烏金路上，橋梁形式為2孔15 m空腹式雙曲拱橋。橋?qū)捊M合為2×0.35+1×7.00(m)。

兩橋用填芯法加固后的橫截面如圖6、圖7。

圖6 慶恒橋加固后橫截面

圖7 竹核橋加固后橫截面

3 結(jié)語

填芯法針對雙曲拱橋橫截面橫向聯(lián)系差，整體性差，受力復(fù)雜的缺點，用混凝土填充拱圈截面，使其主拱圈形成一個鋼筋混凝土板拱，既增大了截面面積，又提高了雙曲拱橋的承載能力;同時無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的應(yīng)用也增加了拱橋受力的整體性，當(dāng)汽車荷載作用在橋面上時，通過橋面板傳下的荷載均勻地分布到全截面的拱圈，使整個拱圈整體受力，荷載橫向分布均勻。

在經(jīng)濟效益方面，僅改造了主拱圈和橋面系，側(cè)墻和拱上填土不動，實腹的依然是實腹拱，空腹的依然是空腹，在經(jīng)濟上節(jié)約了拆除的費用，同時也便于施工。

文中的橋梁采用了填芯加固法，且工程已得到實施，目前橋面交通運行良好。

［1］顧安邦.拱橋設(shè)計計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，1964.

［2］交通部第二公路勘察設(shè)計院.公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)［S］.北京:人民交通出版社，1988.

［3］中華人民共和國交通部.JTG D61—2004公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］高巖，王迎軍.加強整體化層對 T梁受力影響的試驗評估［J］.鐵道建筑，2009(3):63 －65.

［5］賀栓海，謝仁物.公路橋梁荷載橫向分布計算方法［M］.北京:人民交通出版社，1996.