双曲拱桥加固设计研究

双曲拱桥加固设计研究（共10篇）

双曲拱桥加固设计研究 篇1

1 桥梁病害调查分析

吐力土桥全长63.4m,桥跨结构为2-20+2-5m空腹式双曲拱桥,重力式混凝土桥台、桥墩,沉井基础。主拱圈的拱轴线为悬链线,矢跨比为1/5,拱轴系数为2.814。横向六肋五波,总宽度为7.94m。桥面宽为净7+2×1m。调查时发现:该桥拱上填料和腹拱圈破坏严重,腹拱圈裂缝已严重影响行车的安全。拱上侧墙有较长的横向贯通裂缝,侧墙圬工砌体砌缝开裂部位较多。桥面铺装局部存在损坏,面层松散、坑洼、有波浪变形出现。横系梁与拱肋接触位置的混凝土大多已经破碎。

拱上填料的透水性不好而造成其含水量升高,降低填料的抗压强度。桥面铺装的破坏,使降水更容易渗入拱上填料。重车作用下,拱上填料向两侧挤压而发生推移。桥面结构缺乏基层,对厚薄不一的拱上填料,面层刚度不一,沉陷不一。拱圈横系梁与拱肋接触位置的混凝土破碎,表明该桥在较大的荷载作用下抗扭刚度和横向刚度不够。这也进一步证实结构在承受较高的荷载作用时显示出来的破坏迹象。主拱圈下沉有施工的原因,也有后来混凝土受压徐变的因素,主要的是近年来重车的作用,但拱肋无明显破坏,说明拱肋有一定的承载能力贮备。

2 加固方案

主拱圈加固采用锚喷混凝土施工工艺,在原拱肋马蹄处增设14cm厚C30混凝土底板,并且沿桥宽和桥长做整体混凝土底板,把原主拱圈的“拱型”结构改变为“箱型”结构。加固后的主拱圈截面如图1所示。

3 ANSYS模拟

3.1 平面杆系模拟

(1)横纵向布置

吐力土桥加固后是将其承载力荷载等级提至汽-20、挂-100级,根据文献[1]的规定取用桥梁承载力检算荷载。以吐力土桥病害较严重的第一跨为计算对象,按拱顶、1/4截面和拱脚的弯矩影响线的最不利情况布载。采用平面杆系单元计算内力时,取其一波与相应两侧半个肋宽为一个计算单元。荷载分布的横向分布系数可按照文献取用。

(2)内力检算

吐力土桥的有限单元将主拱圈、腹拱圈、立墙、中墩、桥面系采用平面梁单元BEAM3进行模拟,拱上填料采用杆单元LINK1模拟,即全桥有两个单元组。整座桥梁共划445个结点、338个梁单元和51个杆单元。

①加固前恒载内力计算

加固前恒载内力计算结果见表1所示。加固前整体桥梁在恒载作用下的内力如图2所示。图中可见所有恒载作用下内力对称分布。弯矩分布图中,由于拱上建筑的作用,空腹段弯矩有所分散。剪力分布图中,实腹段剪力分布均匀,并且由此可知,如果将拱上建筑替代的杆单元设置更为密集,则剪力分布越加均匀,而且更能符合实际情况。由于内力的对称,桥墩不承受弯矩和剪力。

②加固前活载内力计算

活载是根据主拱圈拱顶与拱脚两个截面的弯矩影响线最不利位置布载的,活载的内力计算值是分别计算汽-20、挂-100 级荷载作用下的活载内力。加固前整体桥梁在活载作用下的内力见图3所示。加固前拱顶汽-20和挂-100的活载内力计算结果见表2和表3所示。

③加固前内力组合

如表4所示,拱脚在荷载组合I、II、III的情况下,均有较大的应力值和弯矩值出现。理论上,有可能拱脚部位即将在荷载作用下进入塑性工作阶段或者发生混凝土的压碎,在大偏心作用下出现了混凝土的拉应力。所以,此桥处于不安全的使用状态。如果将此桥从汽-10提载至汽-20,必须进行主拱圈的处理。

(4)主拱圈强度验算

加固前和加固后模型建立的区别有拱轴线坐标的不同,截面刚度的不同和主拱圈、腹拱、立墙和拱上填料之间连接方式的不同。控制截面为拱脚、拱顶和1/4 跨径。加固前和加固后主拱圈强度验算见表5。

如表5所示,由于II组合在拱脚和拱顶轴力过大,致使实际偏心距大于容许偏心距,即拱脚和拱顶有不安全的效应产生。所以拱顶和拱脚在汽-20荷载组合下不安全。但是对汽-20、挂-100的设计荷载标准是有一定的承载潜力,理论和实际都得到了验证。即主拱圈的两侧和拱肋并没有出现因混凝土将要进入塑性而出现的剥落和裂纹,特别是主拱圈的拱顶部位。可见当时的桥梁设计是保守的,也说明了该桥有维修与加固提载的价值。

加固前的主拱圈正截面强度无法满足现行通车的交通量。但是根据加固前和加固后的数据对比,采用钢筋混凝土底板将拱肋俩俩相连,使双曲拱变封闭箱拱的加固方法效果明显。显然,这一方法能显著增大桥梁的横向联系,使横向刚度大增,同时使拱肋承压面积增大,也能从根本解决正截面面积不足和横向联系不足的问题,也间接缓解了拱脚应力过大带来的混凝土塑性变形。由于截面作用已具有“箱梁”的特征,即抗拒刚度大,使拱肋与拱波、拱板相对变形显著减小。

4.2 空间主拱圈模拟分析

由于本文ANSYS平面杆系数值求解的线弹性以及空间结构简化为平面杆系结构的近似性等不符合实际的特点,采用三维实体有限元进行了吐力土桥主拱圈的有限元仿真,对比加固前和加固后的应力、挠度和水平位移的数据,也校验平面杆系单元的计算结果。同时利用材料非线性理论,真实模拟混凝土结构的变形、开裂和破坏状况,并给出结构内力和变形发展过程,揭示出结构的薄弱部位和环节,进而对结构的承载能力进行评估。

(1)主拱圈横向分布系数

双曲拱桥的主拱圈的横向刚度以作用于其上的车辆活载的横向分布系数反映。为了考察主拱圈的横向分布系数,将单位荷载(1kN)分别作用在各片拱肋对应的拱顶、1/4截面和拱脚,得到的数据如图4所示的横向布载情况,并进行各肋在汽车和挂车作用下的横向分布系数计算。

各拱肋在不同位置的荷载作用下挠度见表6。

(2)主拱圈应力响应

在进行实体建模时,加固前的实体模型钢筋采用Link8单元进行模拟。加固后采用整体式,即将钢筋弥散在整个单元中,将加筋混凝土视为联系均匀材料。从抗剪的角度出发,箍筋在截面的位置可以是任意的,因此这种方法对于双曲拱桥钢筋混凝土中均匀分布的横向锚固钢筋的设置比较适合。但是双曲拱桥纵向钢筋的实际情况却有一定的距离,为了更好的满足计算精度要求,建模时采用将纵向钢筋密集的区域设置为不同的体,使用带筋的SOLID65单元,而无纵筋的区域设置为无筋的SOLID65单元。

对应于平面杆系计算图式中荷载施加位置,将拱上建筑与活载等效成荷载施加到相应位置上。加固前主拱圈在汽-20 级和挂-100 级荷载作用下,混凝土等效应力云图如图5所示。在控制截面的应力计算结果中,在拱脚位置的混凝土拉应力超出了设计容许值。在理论上讲混凝土出现裂缝。

由图5可见,拱脚截面附近由于负弯矩的作用,而使用拱脚与桥墩接触处产生应力集中,表现出较大的应力值。因此,在桥墩上拱脚位置需要做加固处理。

加固前计算拱跨的拱圈控制设计截面的上下拉压应力如表7所示。由表中可见,拱脚的负弯矩和拱顶的正弯矩产生的压应力与拉应力最大。加固后的主拱圈截面应力验算见表8所示。

加固前、后的换算截面重心至全截面顶边距离分别为0.276m和0.368m,所以,新增底板使拱圈截面重心下移,又因为截面的面积增大,使得截面承受负弯矩能力增大。底板内的纵向钢筋也能提高截面的正弯矩能力。所以截面应力在重荷载的作用下仍然没有超过规定值,而且富裕较多。从表8可以看出,主拱圈截面的上缘和下缘应力没有超过规定值。

加固后计算跨径有所减少,从表8的验算结果可以看到,加固后主拱圈的受力状况得到改善,各截面弯矩最大值均得到明显消减,偏心距普遍减小,且均在设计规范值之内。正截面强度满足要求。结合以上的计算特点和应力分析比较,该桥在加固后的承载能力安全储备相当大,各种荷载作用下组合产生的荷载效应都有了较大幅度的改善。

(3)主拱圈挠度和水平位移

加固前和加固后主拱圈在汽-20荷载作用下拱圈挠度和水平位移的云图如图6和图7所示。

加固前和加固后控制截面挠度见表9和表10。

加固前后荷载等级为汽-20和挂-100的主拱圈挠度变化值见图8和图9,加固前后桥墩顶水平位移见图10。

5 结论

(1)平面杆系有限单元法检算双曲拱桥的承载能力是可行的。在计算过程中要考虑多孔拱桥的连拱作用和拱上建筑的联合作用;建模过程利用变形后的主拱圈轴线、具有平铰性质腹拱圈的双铰拱及准确的桥墩抗推刚度、拱上填料代替杆单元;平面杆系模拟病害的处理方式等关键因素,便可以得到准确的内力数值。

(2)利用三维实体有限单元法进行主拱圈的荷载响应,应科学的建立钢筋及混凝土的本构关系,采用方便可行的非线性方程的求解方法和迭代收敛准则。本文中应用的SOLID65混凝土单元,可以方便有效的进行混凝土受力过程的开裂和压碎模拟,并且根据实际情况,选择不同的ANSYS有限元钢筋混凝土建模方式。

(3)平面杆系单元计算结果表明:加固前主拱圈拱脚截面出现大偏心的情况,偏心距超出了容许偏心距,三维主拱圈模拟时拱脚面出现受拉裂缝,也得以验证。三维桥梁加固前主拱圈的检算结果显示,除大偏心的影响外,主拱圈在拱脚位置有应力集中现象。所以,主拱圈加固时拱脚要进行加固处理。

(4)从主拱圈横向分布系数计算看出,该桥具有一定的横向联系刚度,但对于偏载较严重的情况下,尤其边拱肋因荷载横向分布而产生的增大系数较大。实际调查中,该桥的横向连接已经损坏。因此,该桥应进一步加强横向联系刚度。

(5)加固前和加固后的应力、挠度和水平位移数值明显降低,即拱圈的拱脚部位给予抵抗负弯矩补强,在拱顶正弯矩在充分发挥拱肋钢筋潜力的前提下给予正弯矩补强。

(6)采用钢筋混凝土底板将拱肋俩俩相连,使双曲拱变封闭箱拱的加固方法效果明显。显然,这一方法能显著增大桥梁的横向联系,使横向刚度大增,同时使拱肋承压面积增大,也能从根本解决正截面面积不足和横向联系不足的问题,也间接缓解了拱脚应力过大带来的混凝土塑性变形。由于截面作用已具有“箱梁”的特征,即抗拒刚度大,使拱肋与拱波、拱板相对变形显著减小。

摘要：利用ANSYS软件的平面杆系有限元法进行内力检算,以及对非线性混凝土主拱圈三维实体单元进行加固前后荷载响应模拟,并以此为根据进行锚喷混凝土把“拱型”结构变成“箱型”结构加固方法的补强加固设计和评定各部位的加固增强效果,取得了预期的加固提载效果,具有一定的推广实用价值。

关键词：双曲拱桥,承载力,有限元,混凝土非线性,内力分析,锚喷,“拱型”变“箱型”

参考文献

[1]张劲泉,李万恒,任红伟,等.公路旧桥承载力评定方法及工程实例[M].北京:人民交通出版社,2007:21-25.

[2]吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海:同济大学出版社,1997:59-72.

[3]张劲泉,王文涛.桥梁检测与加固手册(上、下册)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]蒙云,卢波.桥梁加固与改造[M].北京:人民交通出版社,2004.11.

[5]陈开利,王邦楣,林亚超.桥梁工程鉴定与加固手册[M].北京:人民交通出版社,2005.6.

[6]张劲泉,徐岳,叶见曙,等.公路旧桥检算分析指南及工程实例[M].北京:人民交通出版社,2007:47-69.

双曲拱桥加固设计研究 篇2

大跨度刚架拱桥加固技术研究

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.

作 者：陈学军 作者单位：湖南省中大监理公司,湖南,长沙,410000刊 名：中国西部科技英文刊名：SCIENCE AND TECHNOLOGY OF WEST CHINA年，卷(期)：20109(1)分类号：U4关键词：刚架拱桥 加固 空间有限元 受力性能 加大截面法

双曲拱桥加固设计研究 篇3

关键词：石拱桥；病害原因；分析；加固措施

1 常见病害及成因分析

1.1 桥面破损

桥面破损对行驶车辆的舒适性和安全性造成一定影响，且可能加剧其他部位损坏。

分析成因如下：

对实腹式拱桥来说，与拱上填料有关，填料施工时未按设计和规范要求，容易在受力的情况下，发生不规则变形，或者台后排水没有处理好，渗入填料，使其变形，造成桥面破损。

空腹式拱桥腹由于拱铰的存在，这些部位往往是裂缝的起源，应在桥面或者与侧墙设置伸缩缝或变形缝。

1.2 防水层失效或破坏

防水层失效或破坏，无法起到防水功能，拱圈漏水，缩短了桥梁的使用寿命。原因分析如下：

实腹式拱桥易找到的一般亚粘土作为防水层，防水施工效果不佳；桥面有渗水，防水层易失效；空腹式拱桥施工时防水层采用油毛毡等易老化材，无法保证沥青麻絮密实。

1.3 拱圈开裂

主拱圈开裂按照拱圈开裂方向可以分为横向裂缝和纵向裂缝。

横向裂缝分析原因如下：

①主拱圈截面石料强度不够或太薄。对其进行内力分析可知，拱脚承受最大负弯矩，拱顶承受最大正弯矩，当荷载内力大于截面抗力时，拱脚上部或拱顶下部容易开裂。

②当主拱圈水平设置，坡桥坡度较大，造成拱圈受力不平衡，容易造成拱圈弯道外侧开裂。

③石拱桥基础均匀沉降、墩台移动，造成拱圈横向开裂，且多发生在L/4处。

④设计时拱轴系数选择不当。

⑤由于施工质量差，出现砌筑工艺不规范、砂浆不饱满等现象。

主拱圈的纵向裂缝成因分析如下：

①基础非均匀沉降；

②结构自身的受力特征影响，如弯桥受离心力作用；

③拱圈在施工时，环与环没有交错搭接，容易桥拱腹发生纵向开裂。

拱桥主拱圈横向裂缝使横向受力性能减弱，即使横向力不变，裂缝也将继续发展，继而导致拱桥承载能力的降低。

主拱圈横向裂缝如果发展到一定深度，开裂面的抗弯惯性矩将大大降低，如果出现开裂严重，结构将失稳破坏。

腹拱圈裂缝：腹拱圈由于开裂现象普遍严重，其主要成因分析如下：

①拱与拱上建筑的联合作用显著；

②铰缝施工不当。施工时，対铰石的选择应挑选质地坚硬强度高无裂缝的石料，并且在施工时对石料进行俢凿以增大接触面积，以防止因施工原因造成石料开裂。

2 主拱圈常用加固措施

石拱桥加固措施较多，主要是增强拱肋、增大拱圈截面、拱波之间的联系等几种基本方法。加固措施原理：

加固方法主要通过增大截面面积、减小截面应力或通过增大容许应力来提高桥梁的承载能力。

目前，常用的加固措施有锚喷混凝土加固、体外预应力加固及钢筋混凝土套箍加固。

2.1 锚喷混凝土加固的原理

用锚入原主拱圈内的锚杆挂设钢筋网，喷射速凝混凝土至结构面层，构成复合主拱圈，与原主拱圈共同作用，提高桥梁承载力。

工艺流程：处理原有裂缝→设置砂浆锚固→主拱圈凿毛、冲洗→挂设钢筋网→喷射混凝土→养生。

施工要点：每次喷护厚度不宜超过5～8cm。若需加厚，需反复多喷几次。

2.2 碳纤维粘贴加固的原理

用钢绞线或高强钢丝等钢材进行预应力施工，使其产生的弯矩和拉力抵销外荷载产生的内力，达到加强和提高桥梁使用性能及承载能力的目的。

①工艺流程：安装锚固板→安装箍圈或定位梢→布设钢丝束→张拉→进行必要的防护处理。

②施工要点：需重视钢材防锈处理。

③钢筋混凝土套箍加固

其原理在于：增大原主拱圈的截面尺寸，新增设钢筋混凝土层与原主拱圈共同作用，分担了桥梁荷载，该加固方法使原主拱圈环状封闭，结构三向受压，提高结构抗压强度，并使桥梁防水蚀、抗风化能力得到增强。

①工艺流程：拆除拱上建筑→冲洗干净→注浆加固→拱圈顶凿毛→拱圈铺设钢筋网→浇筑混凝土

②施工要点：a套箍封闭层采用移动架模现浇施工；b纵向钢筋在拱脚区段予以加密；c砼浇筑时，拱腹面和拱圈两侧面完成后，再进行拱背浇筑；然后由拱脚向拱顶方两侧对称浇筑。

3 结语

石拱桥加固是我国危旧桥梁改造的重要内容和重要课题，针对既有桥梁的损伤、缺陷及使用情况，掌握石拱桥病害形成的原因，并对症下药，制定合理的加固维修方案来提高石拱桥的耐久性、安全性及使用性具有重要意义。

参考文献：

[1]罗英，唐寰澄.中国石拱桥研究[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]蒙云.桥梁加固及改造[M].重庆：重庆大学出版社，1989.

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

钢筋混凝土双曲拱桥加固计算研究 篇4

新中国建立以来, 桥梁建设突飞猛进, 但随着经济的发展及时间的推移, 许多50年代, 甚至70年代修建的桥梁, 已经运营30~50年, 各种病害及交通量的猛增, 使得这些桥梁无法承受现在的需要[1]。但是交通运输的承载能力和安全运行都需要桥梁及时地提升质量, 以满足现代社会发展的需求。对于数量众多的旧桥, 其主体结构其实并没有多大的破坏, 推到重建会造成重大的浪费。因此, 旧桥的加固就有重大的社会意义与经济效益。

2 钢筋混凝土拱桥的加固方法

针对不同的桥梁, 加固的方法也不尽相同, 根据桥梁加固规范, 现行的桥梁加固方法主要有增大截面加固法, 粘贴钢板及纤维复合材料法, 体外预应力加固法等[2], 对于钢筋混凝土拱桥, 加固方法如表1[3]。

3 工程概况

中环大桥桥梁全长196.00m, 桥面总宽12.00m。该桥桥面布置为1.50m (左侧人行道) +9.00m (行车道) +1.50m (右侧人行道) 。中环大桥主桥上部结构采用跨径100.0m钢筋混凝土双曲拱, 主拱圈净矢高度为20.0m, 矢跨比1/5。引桥上部结构采用3×10.0m钢筋混凝土简支T梁。主桥、引桥下部结构均采用浆砌片石U型桥台, 引桥桥墩采用柱式墩, 墩台均采用扩大基础。全桥在桥台两侧设置钢筋防撞护栏, 桥面铺装采用沥青表面。

该桥于1978年5月竣工, 设计荷载为“汽-15, 挂-80”。加固设计荷载等级为“公路-Ⅱ级”, 加固设计桥面净宽维持原设计不变:1.50m (左侧人行道) +9.00m (行车道) +1.50m (右侧人行道) 。

据中环大桥检测发现, 大桥主桥腹拱存在21条裂缝, 其中存在10条纵向裂缝, 可测总长为10.1m, 最大缝宽为1.40mm, 存在10条横、竖裂缝, 总长4m, 最大缝宽0.70mm, 存在1条斜向裂缝;存在4处破损, 2处渗水, 7处开裂, 2处蜂窝, 6处露筋, 全桥泄水孔处均有锈蚀。主桥主拱肋、拱背存在14处露筋, 1处锈蚀, 1处锈胀;3处渗水, 1处破损, 3处蜂窝, 2处泛白, 11处侵蚀。因此, 为了提高桥梁承载能力, 保证桥梁的安全运营, 满足交通运输的发展, 对该桥进行加固施工设计。

4 加固措施及计算

中环大桥主要加固措施:主拱肋拱底和拱侧分别增加厚度为20cm和12cm的自密实钢筋混凝土套拱;腹拱拱腹板底增加厚度为15cm的C30自密实钢筋混凝土套拱;环江大桥引桥主要为梁底粘贴钢板加固。加固后桥梁设计荷载等级为公路-Ⅱ级。

大桥加固立面图及平面图见下图;桥梁主拱圈、腹拱圈横断面分别见图1、图2。

采用Midas/civil结构计算软件, 建立空间梁单元模型进行内力计算, 拱上填料加固前和加固后均用梯形线荷载模拟, 车道荷载作用于桥面梁单元, 通过填料传递至主拱与腹拱。主拱按无铰拱计算。

4.1 加固前后计算结果对比

由表中验算结果知:加固后主拱圈和腹拱在各主要控制截面强度在承载能力极限状态下均满足公路-II级荷载等级要求。

注:计算过程中材料的轴心抗压强度fcd取11.5Mpa, 弯曲抗拉强度ftd取1.23Mpa。

4.2 主拱整体验算

拱的轴向力设计值计算如下:

满足规范要求。对于L/4截面:荷载短期效应下最大的负挠度 (向上) 为:-14.6mm, 最大的正挠度 (向下) 为:35.1mm, 绝对值之和为:20.5mm, 小于L/1000=100.0mm。对于拱顶截面:荷载短期效应组合作用下最大的负挠度 (向上) 为:-18.2mm, 最大的正挠度 (向下) 为:61.4mm, 绝对值之和为:43.2mm, 小于L/1000=100.0mm。由上述验算可判定:加固后主拱圈挠度验算满足规范要求。

5 结论

根据计算, 中环大桥加固前主拱、腹拱均不满足规范规定的“公路-Ⅱ级”强度及稳定性验算要求, 加固后主拱、腹拱均满足“公路-Ⅱ级”强度、稳定性、挠度的规范要求;且加固后拱脚水平推力及竖向力增幅均较小。证明采用这种增大截面的方法加固是可行的, 为同类型桥梁加固提供一个参考。

参考文献

[1]吴俊.桥梁的维修与加固[J].山西交通科技, 2012, 6.[1]吴俊.桥梁的维修与加固[J].山西交通科技, 2012, 6.

[2]中交公路规划设计院.JTG D60) 2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.[2]中交公路规划设计院.JTG D60) 2004公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.

砖石拱桥加固方法探讨 篇5

通过对几座砖石拱桥的加固实例分析,阐述了对小跨度砖石拱桥进行加固的几种经济实用的方法.对原拱圈下增设拱圈加固法、原拱上增设钢筋混凝土拱圈加固法、钢杆件拉结法、钢板箍与螺栓锚固法等方法的施工工艺流程、适用范围、注意事项作了探讨.

作 者：杨俊 王霜 YANG Jun WANG Shuang 作者单位：杨俊,YANG Jun(三峡大学土木水电学院,湖北,宜昌,443002)

王霜,WANG Shuang(湖北省宜昌市交通规划设计院,湖北,宜昌,443000)

双曲拱桥检测评定及加固方法研究 篇6

1 双曲拱桥的性能评定方法

1.1 双曲拱桥的检测

检测的内容有:主拱圈现有拱轴线形的检测,以及其他构件几何线形的检测;结构材料强度检测,即主拱拱肋、拱波及填平层、拱板以及墩台混凝土或石料的强度检测;裂缝检测,检测主拱拱圈混凝土裂缝分布,典型裂缝深度、宽度等;严重开裂或渗水区域的钢筋锈蚀情况调查;其他检测,如墩台风化状况、桥面铺装破损情况、伸缩缝工作情况、桥上排水系统的工作状况等。

1.2 双曲拱桥的荷载试验

荷载试验主要针对桥跨结构的控制断面,测试其在最不利荷载下的受力及变形情况,拱桥的控制断面一般为拱脚、拱顶及L/4,3L/4截面,大跨径桥还需考虑L/8截面。试验荷载根据设计荷载等级加载下拱圈各控制截面的最不利弯矩进行试验荷载等效设计。各个试验弯矩荷载效率系数η,一般要在0.80～1.05的范围内。试验荷载一般采用重载车辆来充当,并在加载过程中应采用分级加载。荷载试验的测试内容主要有应力测试和挠度测试,即测试主拱圈各试验截面的应力,以及测试加载跨L/4、拱顶和3L/4的挠度。应力测试采用粘贴应变片或埋设应变计等方法测量,挠度的测量可根据不同的测试精度采用百分表、机电百分表、千分表以及全站仪等测试。

1.3 双曲拱桥的承载能力验算

根据双曲拱桥的现状,采用实测的材料特性以及现有拱轴线的几何线形,对桥跨结构的承载能力进行验算。计算可以采用专用有限元程序或通用有限元程序,详细计算桥跨结构各部分在恒载以及活载作用下的受力情况,并按照相应的规范进行组合,并验算桥跨结构的抗力以及稳定承载能力是否满足要求,以及安全储备情况等。

2 背景工程介绍

陕西某处双曲拱桥,于1971年建成通车。该桥为2孔空腹式双曲拱桥(7肋6波),桥梁净跨为6×24.15 m,全长59.2 m,矢跨比为1/6,桥面净宽7 m(行车道)+2×0.5 m(护栏),桥面铺装为沥青混凝土。下部结构为重力式桥墩和U形桥台,基础为扩大基础。该桥设计荷载为汽车—20级,挂车—100。

经过外观一般检查发现该桥部分主拱肋纵向开裂并伴有渗水泛白现象,裂缝最宽处达到3 mm,腹拱圈拱顶出现横向裂缝,墩顶立墙出现竖向裂缝。为了进一步确定该桥的服役现状,决定对该桥进行承载能力检测。

3 荷载试验测点

根据桥梁结构分析得出的内力包络图以及位移包络图,确定设计荷载作用下桥跨结构的最大应变截面和最大挠度截面。根据分析可得汽车—20级为控制荷载,根据现场实际情况选取的测试截面为第2孔跨中(Ⅰ—Ⅰ),第2孔拱脚(Ⅱ—Ⅱ),第1孔跨中(Ⅲ—Ⅲ)及1号墩墩顶。

4 有限元程序计算分析

根据结构特点,采用大型空间程序ANSYS对该桥进行模拟分析。主拱肋、横系梁、立墙采用Beam44空间梁单元模拟,拱波、桥面板采用Shell63板单元进行模拟,拱顶填料采用Mass21质量单元进行模拟。拱肋共分为364个单元。

5 荷载试验结果同计算结果对比分析

5.1 静载试验结果

由表1可以看出挠度效验系数在91%～127%之间,超出0.7～1.0的合理范围,说明该桥整体刚度不够,并且第1跨在中载工况下出现挠度不均匀的情况,说明该桥出现单肋受力情况,横向联系较差。

由表2可以看出应力效验系数在27%～100%之间,部分相对较大,同时显得较为离散,在加载工况下,各片拱肋的受力状况有一定的差异,说明桥跨结构在横向受力并不均匀,这主要是因为桥跨结构在横向连接薄弱,导致横向分布并不均匀,不利于结构的受力,这与双曲拱桥的结构特征是一致的。

静载试验结果表明,该桥拱肋在各工况荷载作用下,应变、挠度均有个别测点超出限值,并且实测数据较离散,说明该桥存在单肋受力情况,整体性能较差,建议对该桥进行加固处理,增强其横向联系。

5.2 动载试验结果

动载试验结果见表3,表4。

经过对动载试验实测数据与理论计算值的比较可以看出,结构一阶自振频率实测值接近于计算值,表明结构动力性能满足要求。实测冲击系数平均值1+μ=1.078 4,较计算值1.207小,实测值与理论值比较接近,表明结构整体动刚度较好。

6 双曲拱桥的加固

6.1 双曲拱桥的加固方法

双曲拱桥普遍存在开裂等问题,因此在加固时均需对既有构件的裂缝实施闭合处理,之后再采用相应的措施来加固。常用的加固方法有以下几种:1)加大截面法,即采用外包混凝土、粘贴钢板等方法增加拱肋截面面积以提高构件的承载能力。2)减载法,拆除原拱上填料等,换填轻质填料或改为空腹式结构减轻自重,以提高活载承载能力。3)增加承力构件法,即在原拱圈两侧增设板式或箱形拱肋,并和原拱圈协同受力。4)改双曲拱为板拱法,即在拱波之下、拱肋之间浇筑钢筋混凝土,改双曲拱为板拱,能够有效提高结构的承载能力,并改善结构的整体性,该方法是在卸除桥面及拱上填料处理原拱圈的裂缝之后,在原拱圈上植抗剪钢筋,并以原拱圈为支架立模浇筑钢筋混凝土。

6.2 对工程背景桥梁加固方法的建议

鉴于该桥位置重要具有提高荷载等级的需要,因而可以对其实施加固。具体加固可以采用拱肋外包钢筋混凝土扩大截面的方法。另外,通过该桥静载数据可以明显看出该桥横向连系较差,可以在两拱脚处、L/4处以及拱顶处新建5道钢筋混凝土横系梁增强横向连系。对于原有拱肋渗水现象,可以拆除原有桥面,加设防水层并维修原排水系统。

参考文献

[1]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范[S].

[2]JTJ 023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范[S].

[3]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[4]JTJ 021-89,公路桥涵设计通用规范[S].

刚架拱桥加固设计及计算分析 篇7

刚架拱桥是现如今的一种全新的拱桥架构模式, 其实经过了多种结构模型之后的实验, 吸取了双曲拱等桥梁架构模式的优秀经验, 才形成了这种架构新桥型。其最大的结构优点就是高次超静定, 具有强大的助推力。一般而言, 这种刚架拱桥的建构模式都表现出构件少、自重轻、施工简便等特点。在如今, 中国大部分城市都掌握了这种架构模式, 并得到了广泛推广与应用。刚架拱桥也有一些缺点, 如刚架拱桥由于自重太轻导致其在建设完毕之后, 比起一般的桥梁, 稳定性更差。所以, 在社会中, 很多此类刚架拱桥已经成为了危桥, 严重影响到了城市的交通发展, 不利于城市的建设。从整体来看, 纵观全国的刚架拱桥, 刚架拱的加固设计刻不容缓。

1 工程概况及桥梁病害

某刚架拱桥修建时间为1988年, 设计时荷载为汽车-20级, 挂车-100, 人群300 kg/m2。桥梁全长59.12 m, 全宽25.50 m, 行车道宽19.00 m, 两侧人行道净宽各3.25m。经过专家多方面的检测, 此桥存在的病害如下。 (1) 整桥的混凝土已经大部分脱落, 出现了桥板弯曲的状况; (2) 就整座桥来看, 50%的拱片混凝土的劣化面积已经达到了90%, 一些在主筋截面损失也达到70%, 毁坏面积惊人; (3) 全桥下挠比较严重, 最严重的地方大概达到了13.9 cm。原来是在施工中, 这种混凝土强度低, 碳化的深度最大处已高达33 mm, 这样一来, 腐蚀速度进一步加快; (4) 横系梁以及横隔板这两个桥梁的部件没有出现重大的病害。

综上对桥梁的分析与判断, 可以得知这座桥梁已经损坏严重, 根据国家CJJ99-2003《城市桥梁养护技术规范》的标准, 可以被评为D级, 属于完全不合格的情况。因此, 必须尽快对此桥梁进行加固设计。

2 加固设计分析

专家为了找出此桥的病害问题, 积极对其进行深入调研, 最终发现是耐久性不足导致的受力性结构出现裂缝, 致使桥梁无法受力。当前这方面的科学技术还处在于一个发展初期的状态, 还需要一段时间才能对其进行完善与成熟。所以, 现在的加固设计只是表面上的而已, 对于桥内还是束手无策。通过对规范性要求与实际建造成品这两者的承载力进行比较, 发现完全不相符。主要原因如下。

1) 该桥使用当中, 车流量较小, 而且车的载重都不大。实际汽车荷载与汽车-20级 (约相当于城-B级) 其实存在在这两者之间的差距还是非常明显的。

2) 就事实而言, 该桥的墩台还是十分坚固的, 体量大、地质好。尽管基底摩擦力与台后土压力的共同作用, 也没有改变该桥的墩台位置。

通过专家的实地勘测与精确计算, 发现该桥的实际运行状况要比理论上要好。主要是因为在实际运行中, 汽车载重量小, 桥墩较为结实。但是, 就该桥所处的位置来看, 设计时必须要控制汽车载重量不低于城-B级。为了便于城市的管理, 对该桥进行加固设计是重中之重。

3 加固设计与施工要点

3.1 加固设计方案的确定

其加固设计的具体方案步骤如下:首先, 在保证该桥的基础稳定之后, 对该桥出现的结构性裂缝进行修补;其次, 在刚架拱的实腹段、上弦杆的受力截面以及配筋等主要部件上, 增大其承受力, 保证行车安全;然后, 增设横系梁、更换弯板、增设桥面铺装钢筋网以及增加桥面纵横向配筋等。通过检验与核算, 钢板粘贴补强法对于该桥的修补十分有效, 将其真正落于实践当中, 可以提高结构的承载能力。

3.2 加固设计要点

1) 在主拱肋加固的同时清除生锈的地方, 同时, 把钢架上的混凝土清除只留下钢筋, 除此之外, 要把原先的钢筋重新焊接, 并且加入细骨料增大截面面积, 出现裂缝时, 可以采用膨胀水泥等材料对裂缝进行修补, 再用环氧结构胶对钢板进行粘贴, 通常情况下, 在施工过程中还需要考虑到钢板和主肋的共同受力。

2) 加强横向面积可以使用环氧树脂对原来的横系梁进行修复, 通常会在实腹段和上弦杆等处增加大约8道的横系梁, 还需要考虑到是否凝固。

3) 桥面经过加固以及换掉原先已经坏了的微弯板, 重新安装后的桥面厚度不能小于15 cm, 并且需要配备标准的钢筋, 除此之外, 应另外加入受力钢筋, 其主要的作用就是加强抗压能力和受压能力。一般而言, 施工应该在加固结束才能进行。桥面的横坡应该保持和原先一样, 纵坡需要增加厚度并且进行合理的调整。设计时需要考虑到桥面板和微弯板以及主肋之间形成的截面共同承受的能力, 重新浇灌桥面的混凝土为40#防水混凝土。

3.3 施工要点

1) 在进行拆除工作的时候, 需要使用小型施工工具, 同时需要时刻注意, 施工过程中要从拱顶向两侧保持对称并且拆除, 施工过程中不能有太大的震动, 因为需要保证拱肋结构的安全性。

2) 主肋凿除混凝土工作应该人工处理, 在保障不会损伤主肋等构件的条件下, 保证拱肋结构的安全。

3) 只有在桥面强度到达80%后, 才能进行裂缝修补工作;对比0.1 mm小的裂缝, 需要使用环氧树脂液对裂缝进行灌注, 而比0.1 mm大的裂缝则需要用微膨胀水泥浆进行修补。

4) 完成裂缝修补后再对主拱肋钢板进行粘贴, 粘贴钢板必须使用JGN建筑结构胶, 工作结束之后需要进行检验。

5) 只有在主拱肋加固结束之后才能进行其他的加固, 比如横系梁的加固以及增加新的横系梁工作。

6) 当横系梁混凝土的强度超过设计强度的80%后, 桥面铺装混凝土浇筑必须在低温环境下一次性完成, 并且保持拱脚向拱顶对称进行的操作顺序, 必须均匀浇筑。

4 加固前后刚架拱桥检算与结果对比

4.1 计算模型 (采用桥梁博士V3.3建立模型)

加固前模型:主要进行了建模计算, 通过对一系列的数据取值, 计算模型过程中主要考虑导桥梁的施工过程: (1) 必须先支架; (2) 形成拱片, 拱片的各节点必须是刚接; (3) 安装微弯板和对桥面板的浇筑; (4) 拱腿为固接。

加固之后的计算模型与加固之前的有些类似, 主要是通过在加固前的模型上对现增加的固体进行计算得到的:把粘钢加固的钢板换算成相同面积的HRB335钢筋用模拟的粘钢进行加固操作, 同时模拟拱脚的增大截面加固。

1) 原来结构的混凝土标号都为300号, 其中混凝土的强度等级是按C25考虑的。拱腿增大截面用C30混凝土。

2) 原结构钢筋都是用的是一、二级钢筋, 是按现在的使用的R235级和HRB335钢筋进行分析考虑的。拱腿的新增纵向中采用HRB335钢筋。

3) 一般而言, 在粘贴过程中使用的粘钢都要使用Q345d钢板。

4) 设计桥面荷载的等级:把汽车的荷载设置为城-B级;将人群的荷载设置为3.5 k N/m2。其他荷载均按照CJJ11-2011《城市桥梁设计规范》进行相应的取值。

4.2 加固前、后计算结果对比

表1所示的是加固前后控制截面的强度对比。

从表1中可以看出, 一般而言, 最小弯矩组合下强度不足主要出现在以下几个地方: (1) 拱脚较大范围内, 安全系数只有0.56的时候; (2) 拱腿上端的一小部分地方。然而经过加固处理后这个控制截面的安全系数就显著提高了, 并且数据显示全部都比1.0大, 很符合城-B级的荷载要求, 所以这个加固效果很好。

除此之外, 加固前、后控制截面裂缝宽度数据结果见表2所示。

表2中可以看出, 弦杆和实腹段下缘产生的裂缝宽度比较大, 部分区域已经不在规定的范围内。拱脚部分区域裂缝宽度不符合规定。经过加固后测算出来的控制截面裂缝宽度比较符合规定, 所以很符合城-B级的荷载要求。

5 结论

总的来说, 通过科学地分析和数据对比, 做出了对本桥来说是极具有针对性的加固方案。通过对加固前后计算结果分析, 最后得出结论, 表明经过修改后的方案, 显示出该桥承载能力和安全系数都提高了, 所以这个方案是可行的, 并且能够有效地解决有关此类桥梁承载能力不足的问题, 可以为其他钢架拱桥提供参考。[ID:003379]

参考文献

[1]林利青.刚架拱桥病害原因探究与治理对策[J].公路交通科技:应用技术版, 2010, 27 (8) :38-40.

[2]张继承.中小跨径桥梁常用加固方法[J].今日科苑, 2010, 14 (10) :65.

双曲拱桥加固设计研究 篇8

关键词：双曲拱桥,加固方案,结构优化,加固效果

1 工程概况

以甘肃省某危旧桥为例,该桥为1跨30 m双曲拱桥,公路等级三级,原设计荷载为汽—15,挂—80,桥面净宽7 m,本桥设计为旧桥加固,原桥拱肋、横墙基本完好,原桥为1-30 m双曲拱桥,主拱肋为悬链线,净矢跨比f/L=1/6;下部为重力式台、桩基础。由于运营时间较长,主拱圈出现裂缝,且防水性能降低,腹拱圈因侧墙位移接缝错开,锥坡水毁严重,腹拱圈开裂移位、桥面系破损,不能满足日益增长的交通要求。

由于较多的超重车辆运行及交通量的迅速增长,引起裂缝区段范围及裂缝宽度、深度的进一步发展,这些过宽的裂缝、超载已导致该桥使用性能的劣化及承载能力的降低,参照《混凝土结构加固设计规范》,确定加固设计荷载标准:汽车—20,挂—100。 加固维持现有拱上结构形式,采用粘贴钢板加固法,并适当增大拱肋断面,即第二片横墙处至拱脚填平拱波并加厚混凝土层。

2 加固方案确定

2.1 拱脚加厚

双曲拱桥的变形模式,如图1所示,拱脚区段增厚可显著增大拱脚区段的截面刚度,在受力方面,有变截面无铰拱的特性,与等截面无铰拱比较,变截面无铰拱拱脚的负弯矩随拱脚刚度的增加而增大,对拱顶的正弯矩有“卸载”作用,即拱脚刚度愈大,拱顶的正弯矩愈小。因此在加强拱脚这个控制截面的同时,实际上也帮助了拱顶截面,即减小了拱顶截面的正弯矩。

2.2 粘贴钢板及注意事项

通过粘贴钢板加固,不仅能够保证混凝土和钢板作为一个新的整体共同受力,而且可以在不需要太多增加自重的情况下,充分发挥粘钢的强度,封闭粘贴部位混凝土的裂缝,约束混凝土变形,从而有效提高该拱桥的刚度与抗裂性。相对于混凝土而言,钢板存在应变滞后,这种应变滞后效应会使钢板混凝土结构整体强度降低。粘钢加固的双曲拱桥加固后结构承载检算应按钢筋混凝土大偏压构件进行,而受钢板应变滞后效应的影响,计算出来的承载力偏小,计算中应该乘以一定的折减系数。

2.3 增强横向联系方案

由于双曲拱桥“化整为零”的施工方法,截面的整体性较差,增强横向联系的意义更为重大。早期修建的双曲拱桥,横向联系大多比较薄弱,特别是采用预制安装法施工的横系梁,更为突出。

增强横向联系主要采取两个措施:1)增大横向联系的刚度,如普遍采用的改横系梁为横隔板;2)增加横向联系的数目,在拱顶和每个腹拱墩(或立柱)的下面一定要有横向联系。本桥采用增加横系梁的办法,即在原桥的基础上1/4跨,1/8跨,3/8跨,3/4跨,7/8跨,5/8跨分别增设横系梁。

2.4 裂缝处置

裂缝分两种情况处理:1)对裂缝宽度在0.2 mm以下的采取封闭处理方案;2)对裂缝宽度在0.2 mm以上的采用压力灌浆充满整个裂缝的处理方案。压浆封闭材料采用环氧胶泥和环氧注浆液。裂缝处理原理是用粘结性强的混合物将裂缝充实,与混凝土结构成一整体。在操作中需要有配制的环氧浆液、环氧胶泥、丙酮、量筒、PVC塑料软管及压浆设备等。

3 结构优化计算

为了便于有限元分析,计算中做出了如下规定:1)材料的应力和应变是线性关系,应变与位移是几何线性关系,应变很小。2)计算中采用原设计拱轴线,未考虑实际运营中主拱圈拱轴线的变形情况。3)计算中未考虑拱顶区段截面开裂的影响,其截面还未开裂。4)主拱圈材料仍采用原设计材料标号,未考虑蠕变效应的影响。5)计算出来的混凝土拉应力是指名义拉应力,有些截面混凝土的拉应力已超过混凝土的极限拉应力,混凝土实际已经开裂。

文中借助ANSYS的GUI模式下OPT优化处理器,以钢板厚度和拱脚加厚段的厚度为设计变量,以拱顶和拱脚偏心距为状态变量,以拱圈重量加权值为目标函数进行结构优化,根据优化结果,确定出加固方案:拱脚加厚30 cm,拱肋下缘粘贴5 mm厚钢板,用程序进行结构优化可以确定出经济、合理的结构形式,对快速确定合理的加固方案,提高工作效率将起到重要的作用。钢板厚度优化曲线如图2所示。

4 加固效果检查

粘钢计算中取钢板与混凝土的弹性模量之比n=8,拱肋底缘及两侧粘贴6 mm厚A3钢板分别计算,抗拉强度设计值为140 MPa,承载能力极限状态法进行验算。双曲拱桥由于主拱圈截面形状特殊,无法应用一般偏心受压计算公式。故只能采用具有垂直于中和轴的对称轴的不规则钢筋混凝土截面在偏心受压时容许应力法的计算公式,计算结果见表1。

从表1中可知,经过钢筋混凝土大偏压构件重新计算,各种荷载组合作用下,控制截面处内力值均小于其容许值,说明结构满足偏心受压承载要求。

许多试验表明,粘贴加固拱桥破坏时,粘贴在截面受拉侧的钢板可以达到屈服强度,也有部分试验表明,粘贴在截面受拉侧的钢板未达到屈服强度,而是钢板与混凝土间撕脱而导致构件破坏,这种破坏没有明显的预兆,钢板与混凝土间粘结突然撕脱,原有应力突增,很快进入强化阶段而脆性破坏,加固钢板比原钢筋混凝土截面有应变滞后情况,文中计算中考虑了加固钢板的应变滞后效应的影响。为了比较粘钢加固效果,将加固前后最大偏心距列于表2中。

从表2中可知,粘钢加固后结构最大偏心距明显降低,说明结构更偏于安全,具有更多的安全储备,表明加固方案合理可靠,加固效果良好。

5 结语

1)以甘肃省某既有双曲拱桥为例,结合工程实践给出了加固可行的方案,加固维持现有拱上结构形式,采用粘贴钢板加固法,并适当增大拱肋断面,即第二片横墙处至拱脚填平拱波并加厚混凝土层,适当增加了横系梁数量,同时对裂缝进行处置。

2)为了经济、合理确定出加固方案,文中借助ANSYS的GUI模式下OPT优化处理器,以钢板厚度和拱脚加厚段的厚度为设计变量,以拱顶和拱脚偏心距为状态变量,以拱圈重量加权值为目标函数进行结构优化,根据优化结果,确定出加固方案:拱脚加厚30 cm,拱肋下缘粘贴5 mm厚钢板,实践表明用程序进行结构优化可以大大提高工作效率。

3)经过粘钢加固后结构承载检算,发现加固后结构最大偏心距明显降低,说明结构更偏于安全,具有更多的安全储备,表明加固方案合理可靠,加固效果良好。

参考文献

[1]谌润水.公路旧桥加固技术与实例[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]朱伯芳.有限元分析的原理和应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998:10.

[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4]万墨林,韩继云.混凝土结构加固技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[5]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

现浇式拱波双曲拱桥加固技术研究 篇9

关键词：桥梁工程,双曲拱桥,加固提载,现浇式拱波(板),外包混凝土

江西省乐安县增田大桥的主拱圈由现浇式拱波(板)及现浇横隔板将预制主拱肋连系为整体。现场实测主拱圈拱波波顶处的厚度只有5 cm,刚度很小,这也是主拱圈受力最为薄弱的部位。因此大桥主拱圈拱波波顶纵向开裂现象严重,部分裂缝甚至贯穿全跨。加上增田大桥原设计荷载等级较低(汽车—13级,拖车—60),大桥结构承载力已远不能满足日益增长的交通量与载重量的需要,亦不能满足现行规范荷载等级“公路—Ⅱ级”的使用要求。

1 桥梁概况

增田大桥全长125.836 m,建成于1976年,运营至今已有三十余年。大桥上部结构为7孔净跨径约为15 m的现浇式拱波(板)双曲拱。依据现场实测主拱肋下缘坐标,推定大桥主拱圈拱轴线为m=2.814的悬链线,净矢跨比为1/7。现场实测主拱肋宽度为20 cm,拱肋间净距为234 cm,主拱圈总宽度为788 cm,总高度为80 cm。每跨主拱圈上对称设置有4个腹孔,且各桥墩、台处均设置有1个腹孔。大桥下部结构为扩大基础配重力式桥墩及桥台,且扩大基础下设有松木桩。此次加固前已对1号,3号及4号桥墩扩大基础先后两次采用外包混凝土进行加固。第一层及第二层新增外包混凝土扩大基础襟边宽度分别约为95 cm,30 cm。

2 大桥原有病害及其成因分析

2.1 主拱圈病害及其成因

通过现场对主拱肋下缘坐标进行测量后发现:1)主拱圈拱轴线线型为有利于拱式结构受力的悬链线;2)各跨实测拱顶标高与推定标高的高差相比较,分别下挠了2.3 cm～51.8 cm,四分跨截面则分别下挠了1.9 cm～85.2 cm。可见除了因施工误差导致主拱肋实测线型与推定线型间存在差距以外,还存在因主拱肋长期承受超重车辆荷载反复作用后累积下挠的缘故。

现场对主拱圈进行病害检查时发现,主拱圈原有结构性病害为拱波波顶沿纵桥向开裂,裂缝宽度为0.2 mm～0.5 mm,并有部分裂缝贯穿全跨。主拱圈拱脚附近拱背与拱波波顶对应位置存在纵桥向裂缝。另外,主拱圈还存在主拱肋局部钢筋外露并锈蚀,拱波开裂处渗水并有白色晶体析出等病害。

分析发生拱波波顶开裂的主要原因是增田大桥主拱圈形式与其他常见的、采用预制安装方式施工拱肋和拱波,然后现浇拱板形成的双曲拱桥主拱圈形式不同。本桥双曲拱主拱圈采用先吊装拱肋,再直接现浇拱波(板)的方式进行施工。而且主拱圈拱波波顶处的厚度仅有5 cm,小于预制安装方式施工的主拱圈拱波波顶的厚度(一般拱波波顶处拱波与拱板厚度之和为12 cm～18 cm)。再加上拱波跨度较大且坦,而大桥原设计荷载等级较低,在长期的超重车辆荷载反复作用下,拱波波顶承受了过大的弯矩而开裂。

2.2 腹孔病害及其成因

现场病害检查发现,各桥墩、台处腹拱圈及主拱圈距拱脚第一个腹拱圈拱顶位置处均存在横桥向贯穿裂缝,部分腹拱圈于桥面中心线附近纵桥向开裂。各腹拱圈下缘均存在渗水,并有白色晶体析出现象。腹拱墩未发现肉眼可见的结构性病害。分析腹拱圈发生上述病害的主要原因是腹拱圈矢跨比较小(矢跨比为1/5.89～1/5.57)、厚度较薄(腹拱圈厚度为18 cm),在超重车辆荷载反复作用下,腹拱圈拱顶处因承受了超过其承载力的正弯矩发生横桥向开裂。腹拱圈纵桥向开裂则与大桥横向整体刚度较低有关。

2.3 桥面系及侧墙病害

增田大桥加固前采用沥青碎石桥面。现场病害检查时发现腹拱圈横向裂缝发展至侧墙,进而延伸至人行道板,导致人行道板横向开裂。行车道局部存在坑槽且存在多条纵、横向贯穿裂缝(裂缝宽度多在0.5 mm～3 mm之间),且桥面纵向裂缝位置与主拱圈拱波波顶位置相对应,可见大桥横向整体刚度不足。

由于大桥桥面破损,桥面积水渗透至拱腔填料内,使得拱腔填料遇水膨胀,在车辆荷载的共同作用下,横桥向推动拱上侧墙外移并纵桥向严重开裂,甚至局部产生外移。

2.4 下部结构及河床主要病害

大桥桥址处河床冲刷现象严重,目前1号,3号及4号桥墩均先后两次采取外包混凝土加固原有扩大基础。目前,3号墩上游侧基础底部再次被水流掏空,严重危及大桥安全。

3 加固前、后结构理论分析

根据增田大桥结构形式、实际状况及受力特点,着重对拱脚、八分跨、跨中截面进行验算。加固前、后的理论分析荷载组合方式均按“1.2结构自重+1.0收缩徐变+1.4 (1.0公路Ⅱ级+0.7人群+0.49降温)”取值。结构理论分析结果见表1。

由表1可见,加固前大桥拱脚及跨中截面在现行规范荷载等级“公路—Ⅱ级”的作用下均不能满足规范要求;加固后大桥主拱圈各控制截面承载力均满足现行规范的要求。

4 大桥加固提载技术研究

1)主拱圈加固提载技术。

对主拱肋三周外包10 cm厚的C40微膨胀混凝土,以提高主拱圈正弯矩区段的承载力,并在各跨距拱脚最近的一个拱上腹孔范围内的拱背上缘均现浇一层C40钢筋混凝土,提高主拱圈拱脚附近抵抗负弯矩的能力(见图1)。

2)套拱法加固提载腹孔圈技术。

大桥腹拱圈病害严重且承载力不足,因此在腹拱圈下缘增设钢筋混凝土套拱来加固腹拱圈,达到增大腹拱圈截面面积、提高其承载力的目的。

3)加固下部构造及河床铺砌技术。

对被水流冲刷严重或已掏空的水下基础四周开挖至岩层50 cm深处,再对开挖面至基础顶面以上50 cm范围内现浇C20水下混凝土。对第一跨及第四跨的河床进行整平,再在其表面铺砌厚度不小于30 cm的浆砌片石来加固河床。河床铺砌延伸至现有桥墩基础上、下游侧边线以外各8 m(横桥向)处,并在河床铺砌的上、下游侧均设置浆砌片石挡墙。

4)加固桥面系及侧墙技术。

凿除原有桥面铺装后,拆除已发生外移及开裂的拱上侧墙,再采用浆砌片石重新砌筑侧墙至原有顶面标高,并重做整体式钢筋混凝土桥面板(C40防水混凝土),增强大桥横向整体受力性能。对人行道系则采用拆除后重新预制安装人行道π形板并现浇缘石,安装栏杆柱、扶手的方式加固。

5 结语

增田大桥双曲拱主拱圈的结构形式不同于一般双曲拱桥,其拱波(板)采用现浇方式施工。大桥因此出现了不完全相同于其他典型双曲拱桥的病害。不同处具体表现为大桥横向整体性更为薄弱,拱波波顶开裂的现象也更为严重。 在对大桥进行加固时综合考虑了桥梁实际病害及结构理论分析结果,对主拱肋三周及拱脚段拱背上缘采用现浇钢筋混凝土的方式分别提高跨中及拱脚截面承受弯矩的能力,并设置整体现浇桥面板提高大桥的横向整体性。另外还应用到了对腹拱圈增设套拱、现浇钢筋混凝土加固侧墙等技术。对河床严重冲刷的问题,则采用浆砌片石铺砌配合上、下游挡墙的方式予以根本解决。

参考文献

双曲拱桥加固设计研究 篇10

大连市青石洼桥位于大连市方程线, 设计荷载采用汽车—20级、挂车—100级。该桥净矢高18.75 m, 单孔净15 m, 实腹式双曲拱, 重力式圬工砌体桥台。

该桥钢筋混凝土尚有不同程度损伤和开裂, 结合该桥使用荷载等级, 业主要求对该桥的现状进行全面的评估鉴定并对其进行相应的加固处理。该桥两侧于1990年和2000年分别进行了现场勘查及桥梁损伤情况描述。

2现场勘查及桥梁损伤情况描述

经检查, 肋、波、板混凝土总体质量尚好, 但也存在少数拱波断裂、横系梁局部露筋、拱肋局部破损、泄水设备漏水严重, 桥梁外露部分受雨水、油污侵蚀。此外路面已严重受损, 沉陷变形, 人行挑梁和栏杆基本完好。

桥梁墩台基本完好, 无明显沉降和变位, 通过局部修补, 对外露面重新勾缝之后, 可以继续使用。结合现场调查, 根据JTG H11-2004公路桥涵养护规范, 该桥技术评定等级为四类, 桥梁需要进行大修, 酌情进行交通管制。

3桥梁结构检验及评定

3.1 试验荷载及其布置

试验荷载根据该桥的实际使用需求情况取为10 t, 加载用两辆汽车, 加载次序首先为3.5 t, 7 t, 10 t在跨中中载逐级加卸载, 然后10 t在跨中偏载加卸载, 最后用5 t荷载车分别停在桥东端、3L/4截面、L/2截面、L/4截面及西端加载测量, 共9个加载工况。

3.2 测点布置

应变测点:桥西拱脚1～4拱圈各一点, L/4截面1～4拱圈各一点, 1, 3, 4拱圈跨中下翼缘各一点;

挠度测点:桥的两个拱脚截面、两个L/4截面和拱顶截面的南北两侧均布置测点。

3.3 测试方法

1) 静力试验荷载维持时间, 每级加载均在结构变位到达相对稳定后, 进入下一阶段。

2) 全部测点在正式加载试验前均进行零级荷载读数, 应变测试每次加载或卸载后即读数一次, 并在结构变位达到相对稳定后, 进入下一级荷载之前再读数一次。挠度测试每次加载或卸载5 min, 然后进入下一级荷载测试。

3.4 测试结果

3.4.1 挠度测试成果

1) 5个主要截面两侧在3.5

t, 7.0 t, 10 t下的跨中中载及10 t跨中偏载的实测挠度值见表1。

2) 5个主要截面两侧在一辆5

t车作用下各截面的实测挠度值见表2。

3.4.2 应变测试结果

3个主要截面, 即跨中、L/4截面和拱脚处的各测点在3.5 t, 7.0 t, 10 t下的跨中中载及10 t跨中偏载的实测应变值见表3。

4加固方案的选择及设计

4.1 主拱圈

在拱脚处的拱背上增加20 cm厚C30混凝土, 并设置纵向抗拉钢筋以抵抗拱脚负弯矩;在拱顶上缘10 cm范围内加铺一层钢筋网以分散活载的动力作用;拱圈下缘对称加设四道18 cm厚的混凝土底板, 将全桥全部的开口截面变为部分闭口加开口, 以提高主拱圈的承载能力;将原主拱圈横系梁改为横隔板, 以提高主拱圈的整体性。

4.2 拱上建筑及桥面铺装

对拱上填料、侧墙及桥面系全部进行更换, 重新浆砌立墙和侧墙、更换拱上填料。考虑到该线路等级提高和使用上的变化, 加固后不再保留人行道, 两侧设0.5 m的防撞护栏, 使桥面净宽增加, 使行车条件得到改善。

桥面铺装的翻建采用10 cm厚C30钢筋混凝土, 预留向两侧的3%横坡。然后在混凝土上做3 cm厚沥青混凝土面层。

5基于ADINA的青石洼双曲拱桥加固前后的有限元分析

5.1 约束

在桥梁的建模简化了桥台的作用而对两处桥台处拱脚进行了固定约束。桥墩墩身基础底也做固定约束处理。

5.2 恒载

主拱圈结构是由钢筋混凝土材料构造而成, 钢筋混凝土的比重为25 kN/m3, 桥墩与拱上建筑为浆砌圬工比重为25 kN/m3, 桥面铺装可以认为是24 kN/m3。

5.3 车载

加载力的方式为从左向右布载, 大小分别为汽车—20级和挂车—100级荷载。

加固前后主拱圈在最不利荷载作用下各部位的竖向应变云图、应力云图分别如图1～图4所示。

利用有限元方法对主拱圈进行分析时, 可以充分考虑拱圈的变形和材料本构关系。模拟实际荷载与边界条件, 可以更为科学的模拟出拱圈的变形和应力分布及其他各项物理力学指标。

加固后的拱桥经过汽—20的荷载进行试验检测后, 拱圈挠度大幅度减少, 拱肋底部的裂缝得到了控制, 改善了主拱圈的各部位的应力分布, 提高了桥梁的横向刚度。

6结语

旧桥承载力的分析计算应视其破损状态建立计算模型, 不存在统一的计算模式。旧桥加固的内力分析涉及的因素很多, 加固后结构的受力状态与加固前结构的破损程度密切相关。加固前破损程度越轻, 计算分析越容易;破损程度越严重, 结构的非线性表现越明显, 内力分析越复杂, 计算工作越麻烦。使用有限元分析软件ADINA可以有效地进行内力分析和加固前后受力状况的比较, 为双曲拱桥的受损程度评价和加固方案的选定提供了可靠的依据。

参考文献

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[3]邵容光.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社, 1990.

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