鋼箱加固公路剛架拱橋的有限元分析

冉敬愛，王根會(huì)，陳永亮

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州　730070;2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近20年來公路客貨運(yùn)輸量不斷增加，對(duì)公路橋梁提供安全、重載行駛的要求越來越高。橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和通行能力更是溝通全線的關(guān)鍵[1]。當(dāng)舊橋梁原有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，不能滿足現(xiàn)有車輛的通行要求時(shí)，全部拆除重建既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)，因此舊橋維修加固就顯得日益重要。目前現(xiàn)有的加固方法很多，比如：增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法等[2]。其中，粘貼鋼板加固法是可以在保持原有結(jié)構(gòu)體系不變的情況下提高構(gòu)件承載力，并控制撓度的一種加固方法[3]。

在原有粘貼鋼板加固法的基礎(chǔ)上延伸出了的一種新型的加固方法——鋼箱加固法。與粘貼鋼板加固法相比較，鋼箱加固具有抗彎扭剛度大、變形小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。鋼箱加固法在工程加固方法中應(yīng)用相對(duì)較晚，李剛[4]提出了在剛架拱橋?qū)嵏苟蔚撞空迟N縱向鋼板提高承載力和增設(shè)橫系梁連接為整體的綜合加固方案。陳彪[5]以S309線潢水公路橋?yàn)楸尘?，分析了鋼箱加固法加固橋梁的主要原理，并將其?yīng)用于雙曲拱橋的加固。

本文以甘肅省S209線一座跨度30 m鋼筋混凝土剛架拱橋?yàn)楸尘?，提出采用厚? mm及10 mm鋼板圍成的2種鋼箱對(duì)其加固。為了選擇經(jīng)濟(jì)合理的加固鋼箱，利用ANSYS有限元軟件建立加固模型，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，通過引入加固效應(yīng)系數(shù)[6]，對(duì)比分析了在自重和活載作用下2種鋼箱的加固效果。最終提出采用5 mm鋼箱對(duì)該橋進(jìn)行加固。

1　工程概況

該橋位于甘肅省S209線定隴(定西市—隴西縣)公路，上部結(jié)構(gòu)為一跨度30 m鋼筋混凝土剛架拱，橫向4片剛架拱片。設(shè)計(jì)荷載為汽車-20，掛120，斷面布置為(1.5+9.0+1.5)m=12.0 m。橋梁實(shí)景見圖1。

圖1　橋梁實(shí)景

由于該橋是連接定西市安定區(qū)和隴西縣的主要通道，并且是定西市馬鈴薯和隴西縣中藥材的重要流通渠道，車流量較大，且受超載運(yùn)營(yíng)的影響。該剛架拱橋大節(jié)點(diǎn)濕接段、大節(jié)點(diǎn)拱腳處都出現(xiàn)了不同程度的裂縫，裂縫寬度基本在0.1～0.3 mm內(nèi)[7-8]。隴西方向第2片斜撐濕接段有裂縫，上緣混凝土破損、掉塊，局部鋼筋外露。

2　加固過程及有限元模型

2.1　鋼箱加固方法

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋梁實(shí)際狀況的調(diào)查與分析，結(jié)合以往對(duì)該類橋的加固經(jīng)驗(yàn)，提出了采用5,10 mm厚鋼板的2種鋼箱在剛架拱橋跨中實(shí)腹段和主拱腿處進(jìn)行粘貼加固。

本次加固采用鋼箱灌混凝土加固法，5 mm鋼箱直接涂膠粘貼，10 mm鋼箱采用壓力注膠黏結(jié)[9]。先將底面鋼板與側(cè)面鋼板進(jìn)行焊接，再與外伸的側(cè)面鋼板進(jìn)行焊接，形成箱室，最后根據(jù)需要在空箱室內(nèi)填筑6 cm 厚的混凝土，5 mm鋼筋加固如圖2所示。

圖2　5 mm鋼箱加固示意(單位：cm)

2.2　有限元模型建立

本文主要針對(duì)采用5，10 mm厚2種不同鋼箱對(duì)原剛架拱橋加固后的實(shí)腹段與主拱腿的撓度、應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比選出合理厚度的鋼箱。

采用Beam 188單元模擬拱肋、次梁與主次拱腿結(jié)構(gòu)，橋面板用Shell 63單元模擬[10]。主次拱腿與其他構(gòu)件的連接采用耦合的方式，大小節(jié)點(diǎn)與次梁的剛接作用以連接處的全部位移進(jìn)行耦合。鋼箱也采用Shell 63模擬，分析中認(rèn)為粘貼鋼板和既有混凝土通過高新能結(jié)構(gòu)膠層緊密粘貼，滿足共同受力要求。

本橋橫向4片剛架拱片采用C50混凝土，彈性模量為39.8 GPa，泊松比取0.3，重度為25 kN/m3。鋼箱采用Q235B鋼，彈性模量210 GPa，泊松比取0.3，重度78.5 kN/m3。荷載考慮恒載以及活載，其中活載按JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中公路Ⅰ級(jí)考慮，沖擊系數(shù)[11]取0.25。

3　加固效果分析

3.1　撓度分析

利用有限元軟件ANSYS在施加恒載+活載的條件下進(jìn)行靜力求解，提取剛架拱橋跨中實(shí)腹段、斜腿采用不同厚度鋼箱加固前后不同截面位置的撓度值，繪于圖3(a)和圖3(b)。

圖3　撓度變化

由圖3可以看出，采用不同厚度鋼箱對(duì)該橋進(jìn)行加固，跨中實(shí)腹段撓度均顯著減小。其中，使用5 mm鋼箱加固后，跨中實(shí)腹段最大撓度減小18.2 mm，斜腿最大撓度減小2.4 mm；采用10 mm 鋼箱加固后跨中實(shí)腹段最大撓度減小23.4 mm，斜腿最大撓度減小3 mm。

3.2　應(yīng)力分析

利用有限元軟件ANSYS通過施加恒載+活載進(jìn)行靜力求解后，得到剛架拱橋跨中實(shí)腹段、斜腿段不同截面位置的應(yīng)力值，見圖4(a)和圖4(b)。

圖4　應(yīng)力變化

由圖4可知，荷載作用下，5 mm鋼箱以及10 mm鋼箱加固后跨中實(shí)腹段應(yīng)力以及斜腿段應(yīng)力均有所減小。其中使用5 mm鋼箱加固跨中實(shí)腹段應(yīng)力減小了0.22 MPa，斜腿拉應(yīng)力減小0.24 MPa，壓應(yīng)力減少0.26 MPa；10 mm鋼箱加固后跨中實(shí)腹段應(yīng)力減小了0.26 MPa，斜腿拉應(yīng)力減小0.25 MPa,壓應(yīng)力減少0.30 MPa。

3.3　理論驗(yàn)算

根據(jù)JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.2節(jié)，在矩形截面的受拉面粘貼鋼板進(jìn)行加固時(shí)，其正截面承載力按下列公式計(jì)算。

(1)

式中：x為混凝土受壓區(qū)高度；h為原截面高度；αs為受拉區(qū)普通的鋼筋合力點(diǎn)至受拉區(qū)邊緣的距離；h0為原構(gòu)件截面有效高度，h0=h-αs；ξb為相對(duì)截面受壓區(qū)高度，查JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.1可得ξb=0.62。

由式(1)可知正截面承載力按下式計(jì)算

由式(2)驗(yàn)算可得：用5,10 mm厚鋼箱分別加固時(shí)均成立。

3.4　效果比較

引入加固效應(yīng)系數(shù)η，其表達(dá)式為

(3)

式中：Sr為加固后結(jié)構(gòu)的反應(yīng)；Sur為未加固時(shí)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

由此可知加固系數(shù)η反映了加固對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。表1為恒載+活載作用下跨中實(shí)腹段撓度、應(yīng)力和斜腿撓度、應(yīng)力的加固效應(yīng)系數(shù)。

表1　加固效應(yīng)系數(shù)　%

從加固效應(yīng)系數(shù)η可以看出，10 mm厚鋼箱加固撓度方面比5 mm厚鋼箱加固效果優(yōu)10.3%，應(yīng)力方面優(yōu)6.9%。但經(jīng)計(jì)算可知5 mm厚鋼箱加固已經(jīng)滿足要求，從經(jīng)濟(jì)、輕型、美觀綜合考慮選用5 mm厚鋼箱加固。

4　結(jié)論

1)鋼箱加固公路剛架拱橋技術(shù)不僅施工方便而且可以有效的提高其承載能力和剛度。該技術(shù)可以為以后類似橋梁加固提供借鑒。

2)通過有限元軟件ANSYS分析，不管是5 mm厚還是10 mm厚鋼箱加固，均可以提高剛架拱橋的承載力和剛度。對(duì)截面撓度而言，從加固效應(yīng)系數(shù)可以看出10 mm厚鋼箱比5 mm厚鋼箱優(yōu)10.3%，對(duì)截面應(yīng)力而言，10 mm厚鋼箱只比5 mm厚鋼箱優(yōu)6.9%。

3)在滿足《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的前提下，從經(jīng)濟(jì)、輕型、美觀綜合考慮建議選用5 mm厚鋼箱加固。

[1]任偉，賀栓海，趙小星，等.黏貼鋼板加固持荷鋼筋混凝土T型梁模型試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008，21(3)：64-68.

[2]中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2008.

[3]王凱，李子春.粘貼鋼板技術(shù)在留芳溝橋加固中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2009，49(12)：1-3.

[4]李剛.剛架拱橋加固技術(shù)的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[5]陳彪.鋼箱加固法在雙曲拱橋加固中的應(yīng)用研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(1)：45-49.

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[7]蘭州交通大學(xué).定西市東坡橋靜載測(cè)試與檢測(cè)報(bào)告[R].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[8]蘭州交通大學(xué).定西市東坡橋維修加固方案設(shè)計(jì)[Z].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[9]何華.橋梁加固施工中新技術(shù)的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2008，48(12)：28-30.

[10]李立峰，王連華.ANSYS土木工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[11]中華人民共和國(guó)交通部.JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2004.