板桁組合加固改善橋梁結(jié)構(gòu)受力性能設(shè)計(jì)方法研究

向桂兵,杜晨浩,謝肖禮

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西大學(xué),廣西 南寧 530004)

0 引言

我國擁有超過130萬座在役橋梁,數(shù)量之多、規(guī)模之大,為世界前列[1]。然而,隨著交通需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)展增長,現(xiàn)有橋梁承載能力不足、使用壽命縮短[2-3]。傳統(tǒng)的限重、限速等安全措施對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆詈徒?jīng)濟(jì)有嚴(yán)重影響[4]。因此,加固原有橋梁并提高荷載等級(jí)是解決問題的有效方法,符合可持續(xù)發(fā)展要求,也會(huì)帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[5]。

橋梁加固方法包括預(yù)應(yīng)力加固法、構(gòu)件截面增大法和增加橋墩支撐法。然而,這些方法存在各自的問題。預(yù)應(yīng)力加固法施工難度大、成本高,存在預(yù)應(yīng)力失效風(fēng)險(xiǎn);構(gòu)件截面增大法只適用于部分構(gòu)件,會(huì)增加自重;增加橋墩支撐法施工難度大、成本高,影響橋下通航。

為解決這些問題,本文提出了一種新的橋梁加固方案。具體思路是鑿除原有防撞墻,利用預(yù)埋鋼筋與桁架下弦桿鋼筋綁扎;鋪設(shè)橋面鋼筋網(wǎng),統(tǒng)一澆筑下弦桿和橋面;將腹桿鋼筋與下弦桿連接并澆筑;將上弦桿鋼筋與腹桿鋼筋連接,形成混凝土桁架、橋面板與原有主梁共同工作的板桁組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以更好地承受荷載,增加整體剛性和穩(wěn)定性,提高橋梁的承載能力和使用壽命。

這種新的加固方案具有明確的力傳遞途徑、易施工、用料省、穩(wěn)定性好,能夠有效解決現(xiàn)有加固技術(shù)面臨的問題,為橋梁加固提供了一種有效方案。

1 板桁組合加固提載設(shè)計(jì)方法力學(xué)原理

板桁組合加固是一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)加固方法,通過增加板厚度傳遞彎矩和剪力,增設(shè)桁架來提高梁的高度,提高結(jié)構(gòu)的剛度、減少變形,顯著提高承載能力。

原有板材只能對(duì)抗彎曲力起一定作用,而未充分利用截面軸向剛度。板桁組合加固后,板材成為桁架的下弦桿,引起軸向變形,充分利用了板材的軸向剛度。

通過板桁組合加固,增加板厚度、設(shè)置桁架提升整體強(qiáng)度和剛度,承受更大荷載。對(duì)于需要提升結(jié)構(gòu)承載能力的工程項(xiàng)目,是有效且經(jīng)濟(jì)的加固手段。

2 案例分析

2.1 結(jié)構(gòu)形式

對(duì)某既有橋梁進(jìn)行加固,其工程概況如下:某既有橋梁為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋,跨越一河流,該橋全長46.04 m,橋梁寬度12.01 m。橋梁跨徑為3～10 m梁橋。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制簡(jiǎn)支空心板梁,下部橋臺(tái)為U型重力式橋臺(tái),橋墩為圓柱式墩柱加樁擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝。荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)。

2.2 病害情況

由于交通荷載不斷增加、不利環(huán)境的長期影響,該橋出現(xiàn)了各種損傷與老化,目前出現(xiàn)如下病害:梁板出現(xiàn)較多橫向裂縫;橋臺(tái)個(gè)別部位表面磨損;粗集料顯露;大范圍混凝土剝落;橋臺(tái)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫;橋臺(tái)變形失穩(wěn)。

2.3 加固改造具體實(shí)施步驟

采用本文方案對(duì)既有橋梁進(jìn)行加固改造。在桁架下弦桿位置進(jìn)行預(yù)埋鋼筋與桁架下弦桿鋼筋的綁扎,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度,有效傳遞和分散荷載,提高承載能力。在整個(gè)橋面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),加固橋面鋪裝層,提高剛度和承載能力,延長使用壽命。澆筑混凝土將下弦桿與橋面形成整體,進(jìn)一步提高剛度和穩(wěn)定性,以承受更大荷載。采用50°角制作桁架腹桿,腹桿鋼筋綁扎并澆筑混凝土,與下弦桿連接,提高剛度和承載能力。上弦桿與腹桿鋼筋連接,并澆筑混凝土,形成整體。通過這些步驟,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力,滿足工程改造目標(biāo)。為解決橫向裂縫問題,采用環(huán)氧砂漿注漿封閉裂縫,阻止其進(jìn)一步擴(kuò)展,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。通過以上措施對(duì)既有橋梁進(jìn)行改造,提高穩(wěn)定性、剛度和承載能力,確保安全可靠運(yùn)行,提供良好通行條件。加固后的橋梁結(jié)構(gòu)及整體布置如圖1～2所示。

圖1 橋梁加固后結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

圖2 加固后橋梁整體布置示意圖(cm)

3 有限元仿真模擬

3.1 有限元模型的建立

為研究本文提出的橋梁加固方案有效性,選取原橋三跨中的一跨進(jìn)行Midas Civil有限元建模分析,對(duì)比加固前后的力學(xué)指標(biāo)。建立有限元模型,將鋼筋混凝土填充和素混凝土修復(fù)視為與原材料相似。加固前橋梁模型見圖3,加固后橋梁模型見圖4。

圖3 既有橋梁計(jì)算模型圖

圖4 加固后橋梁計(jì)算模型圖

原橋劃分為548個(gè)單元,包括228個(gè)梁?jiǎn)卧?20個(gè)板單元。加固后橋梁劃分為640個(gè)單元,包括320個(gè)梁?jiǎn)卧?20個(gè)板單元。邊界條件設(shè)置為主梁簡(jiǎn)支。移動(dòng)荷載是主要設(shè)計(jì)荷載,因?yàn)槠湓趯?shí)際使用中不斷變化和移動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。因此,在加固后的計(jì)算中,仍以移動(dòng)荷載為主要考慮對(duì)象,確保橋梁在實(shí)際使用情況下的安全性。

3.2 加固前后強(qiáng)度承載力對(duì)比分析

加固前后強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果如圖5、圖6所示。在考慮1.5倍活載的情況下,主梁的加固前后的最大正應(yīng)力分別為6.51 MPa、4.12 MPa;而加固前后的最大負(fù)應(yīng)力分別為3.81 MPa、2.65 MPa。相較于加固前,加固后的主梁最大正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力分別減小了36.7%、30.45%。

圖5 未加固前既有橋梁應(yīng)力云圖

由此可見,通過加固措施,主梁的最大應(yīng)力顯著減小,而加固桁架中的各個(gè)桿件的應(yīng)力均保持在合理的范圍內(nèi)。這說明本文提出的加固方案在改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面取得了良好的效果。

3.3 加固前后剛度對(duì)比分析

橋梁加固前后變形情況分別如圖7、圖8所示。在移動(dòng)荷載作用下,加固前既有橋梁最大下?lián)蠟?.62 mm,加固后橋梁最大下?lián)蠟?.82 mm,加固后較加固前減少52.23%,表明加固方案成功地增強(qiáng)了橋梁的剛度,有助于延長橋梁的使用壽命和耐久性。

圖8 加固后橋梁豎向變形云圖

3.4 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是確保結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵要素。為了保證加固構(gòu)件的正常工作,確保桁架不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞,需要對(duì)橋梁進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。在經(jīng)過加固的橋梁中,第一失穩(wěn)模態(tài)中的桁架上弦桿發(fā)生了失穩(wěn)。然而,通過整體穩(wěn)定性驗(yàn)算,可以發(fā)現(xiàn)橋梁的穩(wěn)定系數(shù)高達(dá)347.5,表明其整體穩(wěn)定性非常出色。在正常使用情況下,桁架結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,加固后的橋梁具有良好的整體穩(wěn)定性,能夠減少對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的額外加固和維護(hù)工作的需求,結(jié)果進(jìn)一步證明了加固方案的有效性。

3.5 動(dòng)力特性

自振頻率是結(jié)構(gòu)的固有屬性。本文通過對(duì)加固前后結(jié)構(gòu)自振頻率的對(duì)比分析,評(píng)估剛度改善的程度(見表1)。

表1 前6階自振頻率及振型特征數(shù)值表

由表1計(jì)算結(jié)果可知,使用本文提出的加固方案對(duì)某既有橋梁進(jìn)行加固后,自振頻率提高明顯,其中既有橋梁第一階自振頻率為10.19,加固后橋梁第一階自振頻率為11.94,較加固前提升17.17%。由此可見,加固后橋梁自振頻率顯著提高。

4 結(jié)語

本文提出了一種既有橋梁的加固方案,闡述了其結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)原理,并對(duì)某既有橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì),得出以下結(jié)論:

(1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求,承載力提升明顯。通過加固措施,在1.5倍活載的作用下,主梁的最大應(yīng)力顯著減小,較加固前最大應(yīng)力減少36.7%,橋梁的荷載等級(jí)得到了提高。

(2)既有橋梁加固后最大下?lián)蠟?.82 mm,相較于加固前減少了52.23%,在橋梁剛度、使用壽命和耐久性方面取得了顯著的效果。

(3)經(jīng)過驗(yàn)算,橋梁的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了394.9,表明其整體穩(wěn)定性非常出色。此外,加固后橋梁的第一階自振頻率提升了17.17%,第二階自振頻率提升了31.64%。這表明加固后的橋梁具有更好的安全性和穩(wěn)定性。

綜上所述,本文所提出的加固方案效果顯著,能夠大幅提升原有橋梁的承載力和結(jié)構(gòu)整體剛度。此外,加固后的橋梁具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、動(dòng)力特性和抗震能力,在一定程度上可避免現(xiàn)役舊橋安全事故的發(fā)生。