石拱桥加固效果分析

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摘要：针对某大跨预应力混凝土框架结构工程自身质量问题和刚度不足的问题，采用增大截面法与体外预应力法进行加固设计与处理。利用SAP2000软件进行建模计算，分析不同加固方法的加固效果，并采用ANSYS软件进行开裂分析，验证加固方案的有效性，结果表明增大截面法与体外预应力法对预应力混凝土结构有较好的加固效果。

关键词：预应力混凝土框架结构；增大截面法；体外预应力

目前在公共建筑中，预应力混凝土框架结构因自重轻，跨越能力大，耐久性好等优点而备受青睐，但一部分预应力混凝土框架结构往往出现不同程度的开裂，挠度大和承载力不够等问题。如早期修建的预应力混凝土框架结构由于当时施工工艺和设计水平等原因存在不同程度的疲劳和损伤；由于人为因素导致预应力混凝土结构不能满足规范要求；已使用多年的预应力混凝土结构因缺少必要的维护和保养而存在潜在的危险性，加固修复问题已成为土木工程领域面临的重大课题。目前，针对预应力混凝土结构的加固研究成果较少，几乎没有对多跨多层框架结构的加固研究。一些学者虽进行了预应力混凝土的加固后力学性能研究，但主要是对单一加固方案的研究，对多种方案复合加固的研究很少[1,2]。

1加固设计

青岛海上嘉年华酒店7层裙房为大空间框架结构，大跨度区域布置单向大跨度预应力梁，梁跨度33.6m。裙房与两侧塔楼连接，未留设结构缝。该区域两侧塔楼为33层的框架–核心筒结构。屋面结构布置如图1（a）所示。原结构预应力框架梁截面尺寸为1600mm×600mm，预应力筋采用3束7j15.7，框架柱为普通钢筋混凝土矩形构件，截面尺寸为1200mm×1000mm。原结构采用C45细石混凝土，非预应力钢筋为HRB400。该屋盖33.6m跨度的预应力梁不仅存在一定的质量缺陷，且仅在自重作用下一些预应力梁的挠度已明显较大，跨中位置裂缝较多。经研究，采用增大截面法与体外预应力方法进行加固处理（图1,2）。增大截面法是最为常见的加固方法，对加固构件外表面进行外包混凝土、喷射混凝土等处理，其目的是增加构件截面的惯性矩或几何抗弯模量，提高构件截面的承载力和刚度[3,4]。体外预应力技术多用于大跨度桥梁结构，将预应力钢筋或高强钢丝作为施力工具，用预加力产生的反弯矩抵消部分外加荷载产生的内力，以改善结构的受力情况[5]。与其他加固技术相比，该技术具有自重小、施工简单、经济效益明显的优点，对结构的刚度和抗裂性提高尤为明显[6]。结构加固做法如图1（b）所示。增大截面法加固是通过对轴线E~H内所有预应力梁顶面增加上翻梁，由于轴线F~G间轴距为16.8m，且对应位置为屋面设备区域，因此将上翻梁截面设计为300~600mm×400mm，其他位置预应力梁的新增上翻梁截面为300mm×400mm；上翻梁端部截面尺寸均为1000mm×600mm，具体构造如图2所示。钢筋采用HRB400，混凝土采用C45。体外预应力加固做法是轴线E~H内所有预应力梁外设2束7s15.2高强度低松弛钢绞线，其他位置预应力梁外设2束5s15.2高强度低松弛钢绞线，外包层采用高强聚乙烯塑料涂覆，强度标准值fptk=1860N/mm2，张拉控制应力σcon=0.6fptk=1116N/mm2。为增加结构整体性，在预应力梁三分点处加设两道系梁，截面尺寸为250mm×300mm。

2加固效果分析

2.1计算模型与单元采用SAP2000分析软件，对E~F轴范围内的屋面层结构进行建模分析。普通钢筋混凝土梁柱构件采用框架杆单元（frame）进行模拟，楼板采用膜单元，节点刚域设置通过梁柱单元的端部偏移指定实现。采用预应力筋/束（tendon）单元的单独建模方式考虑预应力作用。为简化分析，框架柱的计算长度取层高的1/2，即假设反弯点在框架柱中点位置，柱端设为铰接支座。因增大后的梁构件截面形状非一般矩形截面，故采用截面设计器完成建模，体外预应力筋采用索单元（cable）模拟[5]。建立4种模型，分别是原结构模型，只采用增大截面后的模型，只增加体外预应力筋的模型和两种方法同时采用的模型（图3）。摘要:由于特种车辆需要通行某石拱桥，需对该桥进行了检测评定和结构验算，提出了增大截面的加固设计方案，再以加固后的拱桥为对象，利用有限元软件对加固后的结构进行建模分析。通过结构计算、现场检查和荷载试验等工作，评价了该桥加固后的承载能力和使用性能，为该桥在特种车辆安全通行提供了保障。对于今后同类桥梁的加固设计及评价具有一定的参考价值。关键词:石拱桥;加固设计;结构计算;荷载试验;评价由于某电厂需特种车辆运输风力发电设备，途中要通过某石拱桥。我们首先判定该桥的承载能力能否满足特种车辆运输风力发电设备的通行要求，进而确定加固方案，并对其进行结构计算及静载试验，评价该桥加固后的承载能力和工作性能，为特种车辆安全通行提供保障。1工程概述某实腹式乱石拱桥位于县道X591王新线，桥梁实测全长35．5m，净跨径16．0m，净矢高4．0m，净矢跨比1/4;桥面实测宽度为净－7.0m+2×0.75m，主拱圈宽8．5m，厚0．65m，如图1所示。主拱圈石材按照《公路桥涵标准图－石拱桥》(JT/GQB018－73)推定材料规格为500号大面片石和75号砂浆。该桥原设计及竣工资料均已遗失，通过实测尺寸推定该桥梁原设计荷载等级为:汽车－20级，挂车－100。

3石拱桥加固设计

3．1加固设计的原则。(1)满足桥梁特载运输的通行要求;(2)加固结构的重量尽量不要增加原结构的应力水平;(3)加固后的结构必须与原结构能很好地协同工作。综合考虑现场情况以及拱桥自身的结构特点，现采用增大截面面积加固法进行拱圈加固。3．2加固方案。主桥主拱圈下缘横向均布4根拱肋(50cm×50cm)，拱肋纵向通长并延伸至桥梁墩台侧面，拱肋采用植筋方式与原有拱圈连接，内置钢筋，浇注无收缩自密实水泥基高强灌浆料;拱肋间纵桥向均布4道横系梁(50cm×50cm)，横系梁位置可视拱圈底面平整情况对其纵向位置适当移动。加固后桥型布置如图3所示，拱顶剖面如图4所示，钢筋采用HRB400。

4基于加固后桥梁效果评价

4．1加固后结构计算与分析加固后主拱圈截面为新增混凝土拱肋与原拱圈片石砌体组成的复合截面，国内外学者针对圬工拱桥加固后的复合截面的承载能力极限状态验算做了大量的研究，陈军、黄光清［4］曾提出取原拱圈截面作为标准层截面，新增拱圈混凝土层截面按其弹性模量进行换算，再按照弹性体假定及平截面假定，对加固后产生的活载及温度效应等效计算，转换为原拱圈截面应力，得出原拱圈截面等效内力，再按规范要求进行强度验算，而对于新增拱圈截面采用容许应力法进行验算。采用有限元软件对加固后的裸拱进行整体建模，通过模拟施工对原片石拱圈和加固后混凝土拱肋、横系梁分阶段施加，在特种车辆荷载作用下，加固后的石拱桥主拱圈关键截面的承载能力验算结果见表2。从表2结果可以看出，加固后桥梁在新混凝土拱肋与原片石拱圈紧密结合、共同变形、无相对错动的条件下，对比加固前主拱圈的验算结果，主拱圈的截面抗力显著提高，能够满足特载运输的需求。4．2加固后拱桥静荷载试验4．2．1实验目的与设计本次试验目的主要是对加固后桥梁在特种车辆的运营状态下的安全评估，以及桥梁的加固实际效果进行评价。根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/TJ21－01－2015)，在加固拱桥新增的拱肋的跨中、1/4处以及拱脚处均布置应变测点，在跨中位置布置挠度测点;在原拱圈的跨中截面布置应变计测点，如图5所示。根据现场通行的1辆车货总重70t的塔筒运输车辆进行荷载试验，加载工况分为两种:(1)1/2加载工况;(2)1/4加载工况。4．2．2实验结果与计算值对比分析利用有限元软件ANSYS建立三维实体模型，分析各加载工况下控制截面的应变和挠度，并与试验结果进行了对比分析。限于篇幅，仅列举了新增拱肋关键测点试验值与计算值，对比分析结果列于表3～表5，部分测点无效用“/”表示，表中“－”表示下挠或压应变。从表3新增拱肋实测跨中挠度与理论计算值对比可知:在1/2加载工况作用下，跨中实测最大挠度为0．33mm，加固后挠度结构校验系数为0．31～0.38，卸载后相对残余均小于20%;在1/4加载工况作用下，跨中实测最大挠度为0．14mm，加固后挠度结构校验系数为0．8～0．93，卸载后相对残余均小于20%。可见，在特种荷载作用下，加固后桥梁结构整体刚度满足要求。从表4～表5新增拱肋实测应变值与理论计算值对比可知:在1/2加载工况作用下，实测应变值均小于理论计算值，加固后应变校验系数为0．43～0．88，卸载后相对残余均小于20%，符合《公路桥梁荷载试验规程》的要求;在1/4加载工况作用下，实测应变值均小于理论计算值，加固后应变校验系数为0．18～1．00，卸载后相对残余均小于20%，符合《公路桥梁荷载试验规程》的要求。可见，在特种荷载作用下，加固后桥梁结构应力、应变满足要求。

5结语

通过对在役石拱桥的检测，利用有限元软件对加固前后桥梁在特种车辆作用下进行了结构计算，并为验证加固设计方案的实用效果，做了加固后桥梁的静荷载试验，得到了以下结论:(1)在石拱桥的底缘增加拱肋和横系梁的加固方法能够有效地提高主拱圈的截面抗力。(2)该提载加固设计方案的效果明显，新增加固拱肋与原拱圈能一起参与受力，该加固方案可为同类桥梁的加固提供参考。

参考文献

［1］周建庭，刘思孟．石拱桥加固改造技术［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［2］洪华，刘山洪．基于机构分析法的圬工拱桥病害产生机理研究［J］．重庆交通大学学报(自然科学版)，2014(4):1－4．

［3］倪玲，杨峰．圬工拱圈增大截面面积加固承载能力验算方法研究［J］．交通科技，2014(4):39－41．

［4］陈军，黄光清．增大截面法加固圬工拱桥检算分析实践［J］．交通标准化，2011(2):114－116．

［5］聂建国，樊健生．700年石拱桥的静力加载试验与结构分析［J］．清华大学学报(自然科学版)，2003(6):840－843．

［6］中华人民共和国交通运输部．JTG/TH21－2011公路桥梁技术状况评定标准［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［7］中华人民共和国交通运输部．GTG/TJ21－01－2015公路桥梁荷载试验规程［S］．北京:人民交通出版社，2015．

［8］中华人民共和国交通部．JT/GQB018－73公路桥涵标准图－石拱桥［S］．北京:人民交通出版社股份有限公司，2014．

作者:熊志朋 张林鹏 单位:江西省交通科学研究院