ｒ＿］ 董 大跨度刚架拱桥加固技术研究 陈学军 （湖南省中大监理公司，湖南长沙４１ ００００） 摘要：本文以某特大刚架拱桥为工程背景，建立了该桥的空间有限元模型，通过理论计算结果与现场检测数据的对 比，提出了具体的加固方案，并对该桥加固前、后的受力性能进行了对比分析，得出结论：采用马蹄形加大截面法加固 后该桥受力性能显著提高，跨中挠度明显减小，采用该加固方案对该桥进行加固后，该桥运营情况良好。 关键词：刚架拱桥；加固；空间有限元；受力Ｉ 能；加大截面法 ｌ 引言 ＼工况 最太位 最大拉 最大拉 最大控 随着运营年限的增加，各种复杂因素的影响（例如施工 荷 、 移（ｍ） 应力 产生位置 应力 产生位置 应力 产生位置 （噩Ｐａ） （ＩＰａｊ ＬＩＰａ） 质量、超载、水毁等），桥梁存在一定程度的破坏。由于桥 设计荷载 １４３１５ １．０２ 蹿中截呵下 缘 Ｏ ９７６ 小节点截面 上缘 ０．６８２４ 太节点截面 下缘 梁的质量直接关系到人民生命财产的安全，近年来桥梁维 试验荷载 ｌ４ ２９８ Ｏ．９７５ 跨中截面下 臻 ０ ８６３ 小节点截面 上绿 ０ ６３７４ 大节点载萄 下缝 修加固的问题日益显得突出和重要。 本文以某特大刚架拱桥为工程实践，建立了该桥的空 表１计算荷载以及试验荷载作用下最大值及发生位置 间有限元分析模型。由于空间构造，提出了以加大截 ３．２加固前病害调查 面法为主，贴碳纤维布为辅的加固方案，并对加固前后桥 通过对旧桥现状进行综合检测，发现大桥线形不流 梁的力学性能进行分析对比。 畅，主跨跨中下沉，通过对人行道的观测，桥面下沉了 ２ 工程背景 ２２．１４ｍｍ，当汽车从桥面驶过时，在跨中位置有明显的震 该桥全长３３４ｍ，由北向南单向０．６ 的 坡。该桥原设 感。刚架拱桥六片混凝土拱肋跨中部位均已出现一定程度 计荷载：汽－２０级，挂一１００级，人群荷载为３５０ｋｇ／ｍ ；桥面 的开裂，裂缝宽度为０．１Ｏ～Ｏ．１５ｍｍ，并全部贯通；由于桥 净宽１４＋２×３ｍ人行道；桥面横坡１．５％。该桥上部结构采 面板多处破损，拱架混凝土长期受到雨水 Ｆ渗的侵蚀；主 用一孔跨径为５０ｍ，主拱矢跨比为１／８的钢筋混凝土刚架 桥外观检查完整，附属设施完整，各个测试截面外观基本 拱，由六片拱肋组成，拱肋之间采用横梁连接。 平整，未见明显蜂窝和麻面等异常，支座及伸缩缝完整。 ３ 加固前的结构分析与桥梁检测 ３．３静载试验 ３．１空间有限元计算模型及工况组合 试验采用产生最不利内力的荷载作为静载试验的控制 有限元模型所用单元为考虑空间剪切变形的梁单元， 荷载。试验控制截面分别选取桥梁跨中截面，０号桥台短支 拱圈及混凝土板所用材料为Ｃ３０混凝土，重力加速度取 承与拱肋结合部轴线截面，０号桥台长支承与拱肋结合部轴 ９．８０６ｍ／ｓ 。结构模型包括６片拱肋和２Ｏ根横向联系梁，共有 线截面共三个截面。在跨中截面，梁底共布置六个测点， ８６０个单元。 沿中轴线均匀分布。０号桥台短支承与拱肋结合部顶板梁上 现场试验采用汽车加载，以质量为１５ｔ左右的载重车作 缘布置六个测点，Ｏ号桥台长支承与拱肋结合部顶板梁侧布 为试验荷载。按照设计标准荷载计算出加载汽车的车辆数 置两个测点。桥面塔尺摆放位置如图１所示。 量为６台，试验荷载分为１～３级，逐级施加。 Ｏ号撩台 ●——・●畦 １号擀台 口 设计 ‘算时采用的荷载组合＿Ｔ况： 组合１：一期恒载＋二期恒载。 ● ●１ ； 组合２：一期恒载＋二期恒载＋汽车荷载（正载）。 组合３：一期恒载＋二期恒载＋汽车荷载（偏载）。 ●４ ●３ 组合４：一期恒载＋二期恒载＋汽车荷载（正载）＋人群 荷载。 组合５：一期恒载十二期恒载＋汽车荷载（偏载）＋人群 图１塔尺摆放位置图 荷载。 通过静载试验，得出了该桥的应力值和挠度值，详细 通过对计算数据的分析可知，该桥在试验荷载以及设 数据见表２～表３，测点１～６表示从下游向上游第一条拱肋 计荷载作用下最大正弯矩、负弯矩和最大剪应力工况下的 至第六条拱肋一次排列。大桥在最大剪应力工况下，最大 计算控制值以及发生位置见表１。 剪应力值为０．２１４ＭＰａ。 收稿日期：２００９—１１—１Ｏ修回日期：２００９—１２—１２ 作者简介：陈学军（１ ９６８一），男，湖南常德籍，湖南省中大监理公司工程师。 ０３ 中国西部科技 ２０１０年０１月（上旬）第０９卷第０１期总第１９８期 （２）针对大节点及其与实腹段、内弦杆相交段采用加 Ｉ一１ Ｏ．６１ ０．６４ ０．６９ ＼工况 ＩＯ —ｊ一２ ０．９１ Ｏ．８６ ０．９７ Ｉ一３ １．２２ １．３３ Ｌ ２８ ｉ一４ ０ ９７ ０．８８ １ Ｏ１ Ｉ一５ ０．６７ ０．６７ ０．７４ Ｉ －０．０４ —０ ０７ －－０．１ｌ 大截面的方法。在截面两侧各外包ｌＯｃｍ厚Ｃ３５ＧＩ￣无收缩自 ｌ ２ ３ ０ ０ ０ 密实混凝土，提高大节点处的整体刚度。凿毛原有混凝 土，植筋，绑扎新增加固用钢筋，浇注Ｃ３５Ｇ￣ｌＡ无收缩自密 实混凝土。 ４ ５ ６ ０ ０ ０ ０．７Ｏ Ｏ．５８ ０．５２ ０．８８ Ｏ ６７ ０．５８ １．５４ １ ３３ １．２ｌ ０．８６ Ｏ ６９ Ｏ．６１ ０ｌ ７ｌ Ｏ．５５ ０．５５ —Ｏ．０５ 一Ｏ．Ｏ７ ０．Ｏ０ （３）针对小节点及其与内外弦杆、斜撑相交段采用在 侧面外包碳纤维布的方法。在截面两侧面粘贴两层 ０．１１ｌｃｍ厚的碳纤维布。 表２跨中最大正弯矩工况应力实测值（单位：ＭＰａ） Ｉｌ ＼工况 Ｈ一０ ＩＩ一１ ＩＩ一２ Ⅱ＋３ ＩＩ一４ ＩＩ ｌ ＩＩ一６ Ｏ．Ｏ０ （４）针对拱腿截面采用加大截面的方法。外包Ｃ３５ ０ ０．０４ ０．１２ ０．１８ ０．１５ Ｏ Ｏ３ ＧＭＡ无收缩自密实混凝土，截面高由８５ｃｍ增至１０５ｃｍ，宽由 ２ Ｏ ０．０７ Ｏ．１５ ０．２４ ０．１５ Ｏ．０９ ０，００ ３ ０ Ｏ．０８ Ｏ．１８ ０．２４ ０．１２ ０．Ｏ６ ０．０３ ３５ｃｍ增至５５ｃｍ，如图３所示。 ４ ０ ０．０８ Ｏ １５ ０ ２７ ０．１２ ０．０３ ０．ＯＯ Ｓ ０ ０．Ｏ４ ０．０９ ０．１８ Ｏ．１５ ０．０３ ０．Ｏ０ （５）针对斜撑采用在两侧面、背面粘贴碳纤维布的方 ６ ０ ０．Ｏ０ ０．Ｏ６ Ｏ．１８ ０．０９ ０．０３ Ｏ．Ｏ０ 法。在斜撑支座向上１．５ｍ范围截面两侧面、背面粘贴两层 表３最大负弯矩工况应力实测值（单位：ＭＰａ） ０．１ｌｌｃｍ厚碳纤维布。 （注：表中Ｉ、ＩＩ表示最人正弯矩和最大负弯矩Ｔ况， Ｏ～６表示１～３级加载与卸载，每次加载、卸载为两辆车。） 静载试验结果表明，该桥各控制截面在不同荷载作用 下，最大位移值与应力值达到理论计算值，安全储备／ｆ 够。 ３．４动载试验 动载试验目的在于测试桥梁的同有特性，评估结构整 体动力特征，测定桥梁的行车响麻频率。本试验采用兀障 碍跑车试验，有障碍跳车试验和无障碍刹车试验测定加速 试黢项目 工况 荷载佼置 图２马蹄形加固截面 图３矩形加固截面 跑车试验 １ 跨中截面的结构响应动力时程曲线，车 速２０ｋｍ／ｈ ４．２加固后空间有限元仿真模型建立及力学性能对比分析 ２ 跨中截面的结构响厦动力对程曲线。军 加 方案确定后，建立了加固后的结构分析模型，加 速４０ｋｍ／ｈ ３ 踌中截面的结构响应动力时栏曲线，车 固后的结构模型包括６片拱片和２Ｏ根横向联系梁，共有 速６０ｋ￣／ｈ 跳车试验 １ 跨中截面的结构响应动力时程曲线，车 ８６０个单元。计算采用的计算荷载及组合与加固前的计算载 速３０ｋｒ￣／ｈ 荷 致。并根据各截面的最大或者最小内力值（如表５所 ＩＩＩ车试验 ｌ 跨中截面的结构响建动力时程瞌线，车 速４Ｏｋｍ／ｈ 示），进行配筋。 表４动载试验工况列表 结果 动载试验结果表明，本桥第１阶自振频率为３．２１Ｈｚ，最 工况 ＼ ｉ最大 最小 最大 Ｉ Ｎ Ｋ最小 Ⅲ最＾ Ｈ矗 Ｎ最＾ Ｎ最小 Ｉ最★ Ｉ最小 Ｎ最大 Ｍ 矗小 大加速度值０．２０７８ｍ／ｓ。；车辆在２０ｋｍ／ｈ行车速度状态下通过 组言ｌ ３４２ ２ 桥梁，桥梁位移振幅达到最人值２．２３７ｍｍ，表明该桥动态挠 组台： 维目３ 度值偏大，大桥整体动力性能较差；动力测试中发现桥梁 组鲁４ ４５ ４ 吨＇／６１ 跨中位置，加速度值和频率值发生畸变，并结合裂纹观测 ８ 蛆台ｓ 一２０ｌ３ 一ｌ０１ ５ ２ 结果，判定桥梁跨中位置结构裂纹已经影响到结构受力。 通过结构分析并结合桥梁检测进行分析认为，该桥主 表５各荷载组合工况下各关键截面的内力值（单位：ＫＮ・ｍ，ＫＮ） 要的薄弱部位表现为：①中跨截面竖向位移最大；②拱顶 同时，将加同前后的各荷载组合下的应力值以及跨中 截面和拱脚截面受力较大；③小节点、大节点以及中跨处 截而的位移值进行埘比，结果如表６所示。 受力较大；④拱肋顶部横向联系梁与拱肋的连接较弱。 ４ 加固方案的确定与加固前后的结构承载力分析及比较 Ｉ 最大跨牛加匿 截面应力 （ Ｐａ） 最大位移（∞） 最大节太煮应 力（ＭＰａ） 最擞脚大截应面力（ ＨＰ 工况 前 加固盾 加固前 抽固厝 抽圈前 加固蜃 加固 前 加固后 ４．１加固方案的确定 组鲁ｌ ０．７４ ０．６１ ｌ１．７８ ９ ０９ Ｏ．５７ ０．３５ －０．７５ －０．４９ 针对计算分析结果，经过分析研究，采用加大截而法 组曾２ １．Ｏ６ ０．７５ １４．５９ ｌ２．４４ Ｏ．＇／２ ０．４７ —０ ８６ —０．５２ 组台３ １．翩 ｉ．２６ １６．８７ １２．９７ ０．ｇ８ ０．６１ —０ ９７ —０．５３ 和外贴碳纤维布的方法对该桥进行加固，具体方案如卜： 组曾４ １ ０８ Ｏ。７６ １５．１１ １２．６９ ０．８５ ０．５４ －０．９８ －０．６６ 组舍５ ２，ｌ４ １．３９ ｌ９．４３ １３。６６ ０．９８ ０．６５ 一１．１ｌ －０．８３ （１）针对实腹段拱肋，采『１］加大截面的方法。压浆并 表６加固前后各荷载组合工况下控制截面的应力值及跨中位移值 封闭实腹段拱肋跨中的裂缝，然后凿毛原有混凝土，植 筋，绑扎新增加固用钢筋，浇注Ｃ３５ＧＭＡ无收缩自密实混凝 （注：表巾应力以拉为正。） 土，将原有矩形截面变为马蹄形截面，具体尺寸如图２所 ５ 结论 从表６可以看出，采用加大截面法加固此刚架拱桥后， 不ｏ （下转第０２页） ０４ 中国西部科技 ２０１０年０１月（上旬）第０９卷第０１期总第１９８期 ３．４模块功能设计 （１）系统配置模块。该系统模块为相关性分析、预 测、预警方法提供基础数据，对开发动态预测系统各个模 块进行配置，是整个开发动态预测系统的基础。包括数据 导入、相关性分析配置、系统预测配置等。 （２）相关性分析模块。相关性分析模块包括油田开发 指标及其影响因素的定性和定量分析。首先，定性地分析 油田的开发指标及其影响因素，确定出油田的开发指标， 找出各个开发指标可能的影响因素。然后，对影响每个开 发指标的相关因素做定量分析，埘相关因素问做关联度分 析。最后，对每个开发指标与其影响因素类进行关联分 析。 （３）系统预测模块。 ３．２开发规划决策系统拓扑结构 —＿ … 厂— — ～ （４）油田开发动态预警模块。输入各区块预测产油 ＂ Ｌ 最、各 块实际产油量，判断是否出现产量波动，及时找 出原冈达到预警的目的，包括区块产量波动预警、油田产 量波动预警。 ３．３开发规划数据库 （５）产量跟踪分析模块。输入当日单井产量和生产时 间、前日 井产量和生产时间、注水量等，处理关井影 响、注水量影响进而进行产量跟踪分析，包括区块产量波 动原因跟踪分析、油田产量波动原因跟踪分析。 参考文献：（略） ，『一一？ ／ 用／塑务（） 翟ｋ库 成本、费 ，／—— ｆ一＞ ．ｆ：． ． ．．．。一～ 囊譬 篓毫站 咚零＿箍章粤 霉照噢墨蔓 鳓 （上接第０４页）各控制截面加固后的受力性能显著提高， 析．Ｌｆｌ外公路，２００８，（３）． 其中跨中最大位移值已经从加固前的１９．４３ｍ减少到了加吲 ［２］吴鉴军，莫 宁，徐永峰．刚架拱桥的病害原因与加固分析．广西 后的１３．６６ＩＩｌＩｎ；跨中截面、大节点截面以及拱脚截面的最大 大学学报，２００８． 应力分别从加固前的２．１４ＭＰａ、０．９８ＭＰａ、一１．１１ＭＰａ减少到 ［３］涂世伦．增大截面法在加固双曲拱桥中的应用．桥涵工程，２００８． 加固后的１．３９ＭＰａ、０．６５ＭＰａ、一０．８３ＭＰａ。本刚架拱桥加固 ［４］李国尚，寇景敏，候林杰．刚架拱桥加固．河南交通科技，１９９９． ［５］张劲泉，王文涛．桥梁检测与加固手册．人民交通出版社，２００７． 改造后运行效果良好，丰要控制截面受力性能都有较人幅 ［６］赵 彤，谢 剑．碳纤维布补强加固混凝土结构新技术．天津大 度的提高，本文所介绍的加固方法是切实可行的。 学出版社，２００１． 参考文献： ［１］杨彩红，单成林．板一拱组合结构加固小跨径拱桥受力件能分 ０２
