石拱橋加固效果分析

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摘要：針對某大跨預應力混凝土框架結構工程自身質量問題和剛度不足的問題，采用增大截面法與體外預應力法進行加固設計與處理。利用SAP2000軟件進行建模計算，分析不同加固方法的加固效果，并采用ANSYS軟件進行開裂分析，驗證加固方案的有效性，結果表明增大截面法與體外預應力法對預應力混凝土結構有較好的加固效果。

關鍵詞：預應力混凝土框架結構；增大截面法；體外預應力

目前在公共建筑中，預應力混凝土框架結構因自重輕，跨越能力大，耐久性好等優點而備受青睞，但一部分預應力混凝土框架結構往往出現不同程度的開裂，撓度大和承載力不夠等問題。如早期修建的預應力混凝土框架結構由于當時施工工藝和設計水平等原因存在不同程度的疲勞和損傷；由于人為因素導致預應力混凝土結構不能滿足規范要求；已使用多年的預應力混凝土結構因缺少必要的維護和保養而存在潛在的危險性，加固修復問題已成為土木工程領域面臨的重大課題。目前，針對預應力混凝土結構的加固研究成果較少，幾乎沒有對多跨多層框架結構的加固研究。一些學者雖進行了預應力混凝土的加固后力學性能研究，但主要是對單一加固方案的研究，對多種方案復合加固的研究很少[1,2]。

1加固設計

青島海上嘉年華酒店7層裙房為大空間框架結構，大跨度區域布置單向大跨度預應力梁，梁跨度33.6m。裙房與兩側塔樓連接，未留設結構縫。該區域兩側塔樓為33層的框架–核心筒結構。屋面結構布置如圖1（a）所示。原結構預應力框架梁截面尺寸為1600mm×600mm，預應力筋采用3束7j15.7，框架柱為普通鋼筋混凝土矩形構件，截面尺寸為1200mm×1000mm。原結構采用C45細石混凝土，非預應力鋼筋為HRB400。該屋蓋33.6m跨度的預應力梁不僅存在一定的質量缺陷，且僅在自重作用下一些預應力梁的撓度已明顯較大，跨中位置裂縫較多。經研究，采用增大截面法與體外預應力方法進行加固處理（圖1,2）。增大截面法是最為常見的加固方法，對加固構件外表面進行外包混凝土、噴射混凝土等處理，其目的是增加構件截面的慣性矩或幾何抗彎模量，提高構件截面的承載力和剛度[3,4]。體外預應力技術多用于大跨度橋梁結構，將預應力鋼筋或高強鋼絲作為施力工具，用預加力產生的反彎矩抵消部分外加荷載產生的內力，以改善結構的受力情況[5]。與其他加固技術相比，該技術具有自重小、施工簡單、經濟效益明顯的優點，對結構的剛度和抗裂性提高尤為明顯[6]。結構加固做法如圖1（b）所示。增大截面法加固是通過對軸線E~H內所有預應力梁頂面增加上翻梁，由于軸線F~G間軸距為16.8m，且對應位置為屋面設備區域，因此將上翻梁截面設計為300~600mm×400mm，其他位置預應力梁的新增上翻梁截面為300mm×400mm；上翻梁端部截面尺寸均為1000mm×600mm，具體構造如圖2所示。鋼筋采用HRB400，混凝土采用C45。體外預應力加固做法是軸線E~H內所有預應力梁外設2束7s15.2高強度低松弛鋼絞線，其他位置預應力梁外設2束5s15.2高強度低松弛鋼絞線，外包層采用高強聚乙烯塑料涂覆，強度標準值fptk=1860N/mm2，張拉控制應力σcon=0.6fptk=1116N/mm2。為增加結構整體性，在預應力梁三分點處加設兩道系梁，截面尺寸為250mm×300mm。

2加固效果分析

2.1計算模型與單元采用SAP2000分析軟件，對E~F軸范圍內的屋面層結構進行建模分析。普通鋼筋混凝土梁柱構件采用框架桿單元（frame）進行模擬，樓板采用膜單元，節點剛域設置通過梁柱單元的端部偏移指定實現。采用預應力筋/束（tendon）單元的單獨建模方式考慮預應力作用。為簡化分析，框架柱的計算長度取層高的1/2，即假設反彎點在框架柱中點位置，柱端設為鉸接支座。因增大后的梁構件截面形狀非一般矩形截面，故采用截面設計器完成建模，體外預應力筋采用索單元（cable）模擬[5]。建立4種模型，分別是原結構模型，只采用增大截面后的模型，只增加體外預應力筋的模型和兩種方法同時采用的模型（圖3）。摘要:由于特種車輛需要通行某石拱橋，需對該橋進行了檢測評定和結構驗算，提出了增大截面的加固設計方案，再以加固后的拱橋為對象，利用有限元軟件對加固后的結構進行建模分析。通過結構計算、現場檢查和荷載試驗等工作，評價了該橋加固后的承載能力和使用性能，為該橋在特種車輛安全通行提供了保障。對于今后同類橋梁的加固設計及評價具有一定的參考價值。關鍵詞:石拱橋;加固設計;結構計算;荷載試驗;評價由于某電廠需特種車輛運輸風力發電設備，途中要通過某石拱橋。我們首先判定該橋的承載能力能否滿足特種車輛運輸風力發電設備的通行要求，進而確定加固方案，并對其進行結構計算及靜載試驗，評價該橋加固后的承載能力和工作性能，為特種車輛安全通行提供保障。1工程概述某實腹式亂石拱橋位于縣道X591王新線，橋梁實測全長35．5m，凈跨徑16．0m，凈矢高4．0m，凈矢跨比1/4;橋面實測寬度為凈－7.0m+2×0.75m，主拱圈寬8．5m，厚0．65m，如圖1所示。主拱圈石材按照《公路橋涵標準圖－石拱橋》(JT/GQB018－73)推定材料規格為500號大面片石和75號砂漿。該橋原設計及竣工資料均已遺失，通過實測尺寸推定該橋梁原設計荷載等級為:汽車－20級，掛車－100。

3石拱橋加固設計

3．1加固設計的原則。(1)滿足橋梁特載運輸的通行要求;(2)加固結構的重量盡量不要增加原結構的應力水平;(3)加固后的結構必須與原結構能很好地協同工作。綜合考慮現場情況以及拱橋自身的結構特點，現采用增大截面面積加固法進行拱圈加固。3．2加固方案。主橋主拱圈下緣橫向均布4根拱肋(50cm×50cm)，拱肋縱向通長并延伸至橋梁墩臺側面，拱肋采用植筋方式與原有拱圈連接，內置鋼筋，澆注無收縮自密實水泥基高強灌漿料;拱肋間縱橋向均布4道橫系梁(50cm×50cm)，橫系梁位置可視拱圈底面平整情況對其縱向位置適當移動。加固后橋型布置如圖3所示，拱頂剖面如圖4所示，鋼筋采用HRB400。

4基于加固后橋梁效果評價

4．1加固后結構計算與分析加固后主拱圈截面為新增混凝土拱肋與原拱圈片石砌體組成的復合截面，國內外學者針對圬工拱橋加固后的復合截面的承載能力極限狀態驗算做了大量的研究，陳軍、黃光清［4］曾提出取原拱圈截面作為標準層截面，新增拱圈混凝土層截面按其彈性模量進行換算，再按照彈性體假定及平截面假定，對加固后產生的活載及溫度效應等效計算，轉換為原拱圈截面應力，得出原拱圈截面等效內力，再按規范要求進行強度驗算，而對于新增拱圈截面采用容許應力法進行驗算。采用有限元軟件對加固后的裸拱進行整體建模，通過模擬施工對原片石拱圈和加固后混凝土拱肋、橫系梁分階段施加，在特種車輛荷載作用下，加固后的石拱橋主拱圈關鍵截面的承載能力驗算結果見表2。從表2結果可以看出，加固后橋梁在新混凝土拱肋與原片石拱圈緊密結合、共同變形、無相對錯動的條件下，對比加固前主拱圈的驗算結果，主拱圈的截面抗力顯著提高，能夠滿足特載運輸的需求。4．2加固后拱橋靜荷載試驗4．2．1實驗目的與設計本次試驗目的主要是對加固后橋梁在特種車輛的運營狀態下的安全評估，以及橋梁的加固實際效果進行評價。根據《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/TJ21－01－2015)，在加固拱橋新增的拱肋的跨中、1/4處以及拱腳處均布置應變測點，在跨中位置布置撓度測點;在原拱圈的跨中截面布置應變計測點，如圖5所示。根據現場通行的1輛車貨總重70t的塔筒運輸車輛進行荷載試驗，加載工況分為兩種:(1)1/2加載工況;(2)1/4加載工況。4．2．2實驗結果與計算值對比分析利用有限元軟件ANSYS建立三維實體模型，分析各加載工況下控制截面的應變和撓度，并與試驗結果進行了對比分析。限于篇幅，僅列舉了新增拱肋關鍵測點試驗值與計算值，對比分析結果列于表3～表5，部分測點無效用“/”表示，表中“－”表示下撓或壓應變。從表3新增拱肋實測跨中撓度與理論計算值對比可知:在1/2加載工況作用下，跨中實測最大撓度為0．33mm，加固后撓度結構校驗系數為0．31～0.38，卸載后相對殘余均小于20%;在1/4加載工況作用下，跨中實測最大撓度為0．14mm，加固后撓度結構校驗系數為0．8～0．93，卸載后相對殘余均小于20%。可見，在特種荷載作用下，加固后橋梁結構整體剛度滿足要求。從表4～表5新增拱肋實測應變值與理論計算值對比可知:在1/2加載工況作用下，實測應變值均小于理論計算值，加固后應變校驗系數為0．43～0．88，卸載后相對殘余均小于20%，符合《公路橋梁荷載試驗規程》的要求;在1/4加載工況作用下，實測應變值均小于理論計算值，加固后應變校驗系數為0．18～1．00，卸載后相對殘余均小于20%，符合《公路橋梁荷載試驗規程》的要求。可見，在特種荷載作用下，加固后橋梁結構應力、應變滿足要求。

5結語

通過對在役石拱橋的檢測，利用有限元軟件對加固前后橋梁在特種車輛作用下進行了結構計算，并為驗證加固設計方案的實用效果，做了加固后橋梁的靜荷載試驗，得到了以下結論:(1)在石拱橋的底緣增加拱肋和橫系梁的加固方法能夠有效地提高主拱圈的截面抗力。(2)該提載加固設計方案的效果明顯，新增加固拱肋與原拱圈能一起參與受力，該加固方案可為同類橋梁的加固提供參考。

參考文獻

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

［2］洪華，劉山洪．基于機構分析法的圬工拱橋病害產生機理研究［J］．重慶交通大學學報(自然科學版)，2014(4):1－4．

［3］倪玲，楊峰．圬工拱圈增大截面面積加固承載能力驗算方法研究［J］．交通科技，2014(4):39－41．

［4］陳軍，黃光清．增大截面法加固圬工拱橋檢算分析實踐［J］．交通標準化，2011(2):114－116．

［5］聶建國，樊健生．700年石拱橋的靜力加載試驗與結構分析［J］．清華大學學報(自然科學版)，2003(6):840－843．

［6］中華人民共和國交通運輸部．JTG/TH21－2011公路橋梁技術狀況評定標準［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［7］中華人民共和國交通運輸部．GTG/TJ21－01－2015公路橋梁荷載試驗規程［S］．北京:人民交通出版社，2015．

［8］中華人民共和國交通部．JT/GQB018－73公路橋涵標準圖－石拱橋［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2014．

作者:熊志朋 張林鵬 單位:江西省交通科學研究院