基于Ansys實體模型分析的圬工拱橋混凝土套拱加固方法研究

【摘 要】以四川省巴中市巴河大橋檢測與加固工程為背景，通過對該橋的現(xiàn)場檢測與靜、動載試驗，找到其存在的缺陷及損傷。根據(jù)檢測結(jié)果選擇混凝土套拱加固法對拱橋進(jìn)行加固。通過Ansys實體模型對加固施工的全過程進(jìn)行模擬分析，得到加固過程中拱橋原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的位移、受力情況和全橋的剛度提升水平。結(jié)果表面混凝土套拱加固法可以有效應(yīng)用于眾多的圬工拱橋加固工程中。

【關(guān)鍵詞】圬工拱橋; 混凝土套拱加固; Ansys實體模型; 剛度提升

【中圖分類號】U445.7+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

圬工拱橋，尤其是石拱橋，在我國有悠久的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計，在中國的各類型橋梁中，拱橋約占61 %，特別是在山高谷深，石料豐富的四川地區(qū)，拱橋占90 %以上，以圬工拱橋數(shù)量最多。但是，該類圬工拱橋大多修建年份較久遠(yuǎn)，在自然環(huán)境的侵蝕和日漸增長的交通荷載影響下，出現(xiàn)了不同程度的損傷。為了解橋梁現(xiàn)狀，保證結(jié)構(gòu)的安全，必須通過檢測，對存在問題的橋梁采取必要的加固措施?；炷撂坠凹庸谭ㄗ鳛楸姸嗉庸谭椒ㄖ械囊环N，由于其增大受力截面和套箍效應(yīng)的作用使舊拱橋整體受力均勻，能達(dá)到增強整體性，提高承載力的目的，已被廣泛應(yīng)用于圬工拱橋的加固中[1] 。

1 工程背景

本項目巴河大橋位于位于四川省巴中市平昌縣省道202線公路，中心樁號K247+513.42，橋梁跨徑組合為（3×10+4×50+10） m漿砌塊石無鉸石拱橋，橋梁全長290 m，橋面組合為（1.9+7.0+1.9） m;下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺，擴(kuò)大基礎(chǔ);橋面鋪裝為瀝青混凝土。該橋設(shè)計汽車荷載等級為汽車-20級，設(shè)計安全等級為二級。

2 橋梁檢測結(jié)果評定

2.1 舊橋現(xiàn)有參數(shù)測定

根據(jù)現(xiàn)場檢測，巴河大橋主體結(jié)構(gòu)采用圬工砌體結(jié)構(gòu)，其主拱圈為M10砂漿砌MU60塊石，立墻為M10砂漿砌MU60塊石，腹拱拱圈采用M10砂漿砌MU60塊石。表1、表2分別是根據(jù)檢測結(jié)果提取的全橋主要幾何參數(shù)與圬工材料參數(shù)表。

2.2 試驗檢測結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場檢測該橋的損傷情況，并結(jié)合橋梁技術(shù)規(guī)范，該橋現(xiàn)總體評定為三類橋。根據(jù)靜載和動載試驗結(jié)果，該橋承載力和整體剛度滿足設(shè)計荷載等級（汽車-20級，掛車-100級）要求。建議按照J(rèn)TG H11-2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》的規(guī)定，對該橋進(jìn)行中修，酌情進(jìn)行交通管制;對拱圈滲水進(jìn)行處治，建議對拱圈進(jìn)行加固。對橋面鋪筑破損開裂進(jìn)行修復(fù)處治，建議對橋面鋪筑進(jìn)行進(jìn)行挖除重建。對該橋其余病害進(jìn)行處治[2] 。

3 拱橋加固處治方案

根據(jù)檢測報告計算結(jié)果，該橋主要構(gòu)件存在輕微功能性病害，技術(shù)狀況評定為3類橋，需要對其進(jìn)行加固處治。

3.1 橋面系

（1）按人行道位置橋面鑿除46 cm厚度的標(biāo)高控制，橫橋向水平鑿除橋面，上緣40 cm厚原側(cè)墻均鑿除，重新依次鋪筑C15混凝土墊層、防水卷材、現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土橋面板、防水粘結(jié)層和瀝青混凝土橋面鋪裝。橋面板及瀝青橋面鋪裝在起止點橋臺伸縮縫位置及橋跨伸縮縫位置應(yīng)設(shè)置豎向通縫，并增設(shè)80型伸縮縫。

（2）原人行道及欄桿均鑿除，重新澆筑鋼筋混凝土緣石及鋪設(shè)鋼筋混凝土人行道板，欄桿均更換為鋼欄桿。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

（1）主拱圈、腹拱圈砌縫和裂縫采用高壓灌注環(huán)氧水泥砂漿進(jìn)行封閉補強;對4#～7#主拱圈采用增大截面法的加固技術(shù)，拱腳部分采用鋼筋混凝土套箍加固，其余部分采用拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板加固[3]。

（2）對全橋腹拱及引拱采用增大截面法的加固技術(shù)，通過拱腹下襯C40鋼筋混凝土拱板進(jìn)行加固。

（3）原側(cè)墻全部更換為C20混凝土側(cè)墻。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

將原橋橋墩出現(xiàn)的灰縫脫落采用M10水泥砂漿進(jìn)行勾縫，并采用鋼筋混凝土套箍加固技術(shù)進(jìn)行加固。

4 Ansys實體模型加固過程分析

4.1 實體模型建立

計算結(jié)構(gòu)采用SOLID65單元模擬，此單元有8個結(jié)點，每個結(jié)點3個自由度。該單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強化、大變形和大應(yīng)變的功能。每個單元都有2×2×2個高斯積分點，見圖2。建立Ansys實體模型見圖3。

在結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)底面位置，約束面上所有自由度，形成固結(jié);埋置于巖土中的墩臺面上約束結(jié)構(gòu)順橋向自由度，邊界條件見圖4。

計算荷載主要有：重力、二期恒載、整體溫度荷載、汽車荷載和人群荷載。

結(jié)構(gòu)重力系數(shù)取為9.8 m/s2。溫度按升溫18 ℃，降溫18 ℃考慮，結(jié)合圬工規(guī)范拱橋溫度效應(yīng)考慮折減系數(shù)0.7，取升溫12.6 ℃，降溫12.6 ℃[4]。

二期恒載為欄桿和人行道板，單側(cè)每延米重量：10 kN/m。（模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，均布荷載為P1=10×2/10.8=1.85 kN/m2）

車道荷載按公路-I級加載，模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，不考慮折減。車道均布荷載P2=10.5×2/10.8=1.94 kN/m2。車道荷載中的集中力，主拱上每個車道集中力總和為360 kN，分為11個節(jié)點進(jìn)行加載，每個節(jié)點承擔(dān)F1=360×2/11=65.45 kN。引拱上11個節(jié)點各承擔(dān)F2=200×2/11=36.36 kN。

人行道，兩側(cè)各1.7 m寬，人群荷載對結(jié)構(gòu)影響較小，按滿布人群荷載考慮：3 kN/m2。（模型中沿橋?qū)挿较蚓鶆驖M布，均布荷載為P3=3×1.7×2/10.8=0.94 kN/m2）。

通過Midas計算得到的汽車荷載影響線布置活載，分三種情況布置。

（1）活載按對主拱拱頂截面最不利情況，按影響線布載見圖5。

（2）活載按對主拱1/4截面最不利情況，按影響線布載見圖6。

（3）活載按對主拱拱腳截面最不利情況，按影響線布載見圖7。

4.2 加固施工階段

本計算準(zhǔn)確應(yīng)用應(yīng)力疊加原理模擬原橋成橋和加固過程，包括施工過程和成橋后使用階段：

（1）裸拱自重。

（2）立墻、腹拱圈加載。

（3）填料加載。

（4）橋面加載（原橋成橋）。

（5）主墩加固并去除橋面。

（6）主拱加固。

（7）腹拱加固。

（8）橋面加載（加固完成）。

（9）加固混凝土收縮（按降溫20 ℃考慮，據(jù)圬工規(guī)范折減為45 %，取降溫9 ℃）

（10）整體溫度變化（升溫/降溫）

（11）車道及人群荷載（分別對3個主拱控制截面最不利影響考慮。）

整個加固施工過程采用非線性單元生死技術(shù)計算。在計算過程中，如果要在模型中加入（或刪除）材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在”（或消亡）。要激活“單元死”的效果，ANSYS程序并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)，或其他分析特性）矩陣乘以一個很小的因子[ESTIF] ，因子缺省值為1.0×10-6，死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效[5] 。

4.3 加固分析結(jié)果

4.3.1 應(yīng)力分析

（1）主應(yīng)力分析

圖8～圖11為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主拉應(yīng)力云圖和跡線圖，從圖中可以看出，立柱與主拱圈結(jié)合處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力水平較大，其余部位主拉應(yīng)力水平均較小。

圖12～圖15為模型：原橋（CS4）、加固完成（CS8）工況主拱圈主壓應(yīng)力云圖和跡線圖。最不利荷載作用下，主拱圈拱頂主壓應(yīng)力小于-1.11 MPa，拱腳主壓應(yīng)力小于-2.37 MPa;均小于其抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。

表3、表4為各階段主拱圈與腹拱圈主應(yīng)力表（表中主應(yīng)力僅作為參考，包括應(yīng)力集中值），從表中可以看出加固后主拱圈主拉應(yīng)力最大值與加固前基本相同，均為0.1 MPa。但是混凝土收縮對主拱圈主拉應(yīng)力有較大影響。

對比表3、表4可見，整體降溫對主拱圈受力不利，主拱圈最大拉應(yīng)力增大約0.32 MPa，而對腹拱受力有利，主拉應(yīng)力減少約0.15 MPa。

整體升溫對主拱圈受力有利，主拱圈最大拉應(yīng)力減小約0.32 MPa，而對腹拱受力不利，主拉應(yīng)力增大約0.16 MPa。

（2）正應(yīng)力分析

下面提出拱頂、拱腳、1/4主拱截面的各階段正應(yīng)力值，對比原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的受力情況（以加固完成階段為例）見圖16～圖19。

按此步驟依次分析各階段拱橋控制截面原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力，得到表5、表6。

由表5、表6可知，加固后原橋主拱圈在后續(xù)工況下仍全截面受壓。而鋼筋混凝土加固結(jié)構(gòu)在收縮、降溫及車道荷載作用下會產(chǎn)生拉應(yīng)力，經(jīng)計算其最大裂縫為0.09 mm，滿足規(guī)范0.2 mm的要求。

4.3.2 位移分析

表7、表8為模型（降溫/升溫）工況下主拱圈最大豎向位移。可以看出：實體模型在原橋恒載作用下，主拱圈最大豎向位移為14.2 mm，加固后主拱圈最大豎向位移為13.4 mm，部分卸載情況下加固主拱圈，主拱位移有較小的上撓值。

總體來看，實體模型的豎向位移值為：降溫最不利荷載作用下，最大位移26.3 mm;升溫最不利荷載作用下，最大位移17.4 mm。

4.3.3 模態(tài)分析

對原橋和加固后全橋進(jìn)行模態(tài)分析，主要提取其一階豎向自振頻率進(jìn)行比較，分析其剛度變化（圖20、圖21）。

可見原橋一階豎向自振頻率為1.051 Hz，加固后全橋一階豎向自振頻率為1.521 Hz。加固對拱橋的剛度提高效果很明顯。

5 結(jié)論

加固后，原主拱圈在所有荷載工況下，拱頂、拱腳和1/4截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力小于4.22 MPa，在允許范圍內(nèi)。主拱混凝土加固部分最大裂縫寬度小于0.2 mm，在允許范圍內(nèi)。車道荷載對原結(jié)構(gòu)影響相對減小，大部分被加固結(jié)構(gòu)承擔(dān)，表明混凝土套拱加固對巴河大橋承載力提升有利。

加固混凝土的收縮與整體升溫、降溫工況對全橋影響較大：混凝土收縮導(dǎo)致加固結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，對原砌體結(jié)構(gòu)略有不利影響;降溫工況對加固結(jié)構(gòu)不利，對原砌體結(jié)構(gòu)也較為不利;升溫工況對加固結(jié)構(gòu)有利，對原砌體結(jié)構(gòu)影響不大。

由模態(tài)分析結(jié)果可以得出，加固后全橋豎向一階自振頻率較加固前有明顯提高，表明結(jié)構(gòu)豎向剛度增加，套拱加固對結(jié)構(gòu)剛度提升效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]周建庭，劉思孟，李躍軍. 石拱橋加固改造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.2008.

[2]JTG H11-2004 公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

[3]JTG /T J22-2008 公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社.2007.

[定稿日期]2021-01-13

[作者簡介]曾仲（1989～），男，碩士，工程師，從事橋梁設(shè)計及橋梁結(jié)構(gòu)方向研究。