上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证_谢肖礼.pdf

第 卷 第 期 年 月石河子大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：广西科技计划（桂科）作者简介：谢肖礼（），男，研究员，博士生导师，主要从事桥梁结构新体系研究，：。通信作者：庞木林（），男，博士研究生，研究方向为结构安全性及桥梁结构新体系，：。：.文章编号：（）上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证谢肖礼，李院腾，庞木林（广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁）摘要：早期的上承式拱桥受限于设计荷载等级偏低、维护养护不到位和已运营多年等，其力学性能已不能满足现代交通需求，针对这一问题本文提出了一种新型的加固改造方法，即在拱肋与主梁间增设 杆、桥面上安装桁片，使以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系。为评估该方法的加固效果，以某 上承式拱桥为研究对象，运用有限元手段对比分析加固前后的力学性能。为进一步验证新加固改造法对提高原结构力学性能的有效性，完成 试验桥的荷载试验并对比分析结果。两种结果均表明：新型加固改造方法可以大幅提高桥梁承载力与刚度。对实桥进行有限元分析时，加固改造后拱脚和跨中最大压应力分别减小.、.，主梁最大上、下挠分别减小.、.；对试验桥进行静载加载时，加固改造后拱肋上缘与下缘最大应力分别减小.、.，拱肋最大上、下挠值分别减小.、.。故该加固改造方法积极有效，可尽早应用于工程实际。关键词：桥梁工程；加固改造；桥梁结构体系；荷载试验；有限元中图分类号：.文献标志码：，（，）：，.，.，.，.，：；尽管现代桥梁涌现出了各种各样的结构形式，拱桥仍具有很强的竞争力。拱桥在我国历史悠久，据不完全统计，拱桥在全国桥梁中占比达六成以上，在我国西部地区更是超过八成，其中上承式拱桥 石河子大学学报（自然科学版）第 卷跨越能力强、整体刚度大，且能利用地质条件修建基础，经济性好，同时具备着可适用于各种地理环境下的成熟的施工工艺，所以在桥梁工程中往往作为首选桥型。然而，世纪末在我国建造的上承式拱桥，因受限于最初的设计与施工技术不够完善成熟、维修养护不到位、车辆超载严重，出现了构件承载力不足、刚度下降等问题，已逐渐成为现代交通发展的“瓶颈”。对这些已出现安全隐患的旧桥，若一味选择拆除重建，不仅在资金方面开支不菲，而且由于长时间中断交通所造成的社会和经济影响也难以估量。国内工程经验表明，旧桥在加固改造过程中投入的资本成本仅占新建桥梁施工投入资金成本的，若通过加固改造，恢复并提高旧桥的承载能力，使其继续在交通运输行业安全运营，则不仅符合资源可持续发展的需求，更可以给国家带来巨大的社会、经济效益。目前，国内针对上承式拱桥的加固方法主要有增大截面法、粘贴碳纤维法、粘贴钢板法、钢筋砼套箍封闭主拱圈法、改变结构体系法等，前 种方法虽然能在一定程度上提高结构的力学性能，但存在施工困难、自重增大、经济性较差等缺点。改变结构体系法是通过改变拱桥结构受力体系，达到结构内力重新分布、提高桥梁承载能力的目的，但是现有的方法一般仅将实腹拱桥的实腹段换成轻质材料，或改变拱上建筑以减小桥梁恒载和拱圈压应力，如 世纪 年代建成的福建省罗源县关五里大桥和江西修水武宁公路走马岗大桥。可见，传统的改变结构体系加固法仅能减小拱上荷载，实际上拱圈仍为主要承重构件，因此加固后桥梁的各项力学性能指标提高不大。为了对现有上承式拱桥进行科学的加固改造，使其力学性能得到有效提高，本文提出一种新方法，即在拱肋与主梁间增设 杆、桥面上安装桁片，使以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系，先介绍该方法的力学原理，再通过有限元软件对比研究加固改造前后拱桥的力学性能，最后利用跨径为 的试验桥进行荷载试验对研究和计算加以验证。新型加固改造方法力学原理分析 与现有的改变结构受力体系加固法不同，上承式拱桥新型加固改造方法包含了以下力学原理：（）在现行的各种桥梁设计规范中，拱肋均作为主要受力构件承担恒载与活载，但是恒载对拱肋产生的效果为小偏心受压，而活载效应还会出现弯曲、剪切及扭转变形，可见，恒载与活载对拱肋所产生的内力和变形存在差异。上承式拱桥新型加固改造方法通过在拱肋与主梁间增设 杆、桥面上安装桁片，可使拱肋、杆与主梁形成下桁架，桁片与主梁形成上桁架，从而将以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系（图），达到改善结构受力性能的目标。图 桥梁结构体系转变示意图 （）加固后的拱桥在原来拱桥结构基础上引入三角形理念，三角形由 杆与拱段、梁段构成，其节点对拱肋、主梁均起到很好的约束作用，然而桥梁以承受移动荷载为主，当受移动荷载作用时三角形结构处于受非节点力状态，其稳定性会有所降低，因此，在进行加固改造时，保留原拱桥的立柱使其对主梁起到弹性约束作用，从而使三角形的稳定性能够得到有效保持。（）主梁作为上、下桁架的共用弦杆，依据桁架的受力原理可知，在荷载作用下，下弦杆参与受力时其受拉，上弦杆参与受力时其受压，所以主梁内会产生力的对冲效应，使主梁内力明显减小，从而减少材料用量。新型加固改造方法有限元分析 以某国道干线上的一座跨径为 的实桥为例，采用本文提出的新型加固改造方法进行改造，通过有限元软件分析其加固改造前后的力学性能。.实桥结构布置 本桥为上承式拱桥，桥跨 ，矢高.，高跨比为。桥面总宽：.（护栏）（行车道）.。主拱圈为箱型截面，高.，宽.，混凝土强度等级为；立柱为实腹圆形截面，直径 ，混凝土强度等级为，顺桥向第 期谢肖礼，等：上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证 间隔 布置，横桥向 根；钢筋混凝土桥面板厚，混凝土强度等级为，桥面板上为 厚沥青混凝土铺装层。原桥按公路级设计，结构布置如图 所示。图 上承式拱桥结构布置（单位：）.加固改造方法 在长期处于超负荷状态运营情况下，该桥梁已出现承载力下降、主梁开裂下挠等病害。现采用文章提出的新型加固改造方法对其进行加固改造，具体做法如下：保留原拱肋、立柱、桥台以及拱顶处实腹段，拆除桥面系；架设主梁（格子梁）、安装 杆和桁片，最后浇筑桥面板混凝土、铺设沥青层。由于桥面上安装了桁片，为了满足车道布置要求，将桥面宽增加到.，加固改造完成后的布置如图 所示，各构件的参数及用量见表，加固改造总用钢量为.，换算成每平米用钢量为.。图 加固改造后拱桥结构布置（单位：）.结构力学性能有限元分析 以建立的有限元模型（图）对比拱桥加固改造前后的力学性能。模型的边界条件处理为：拱脚、杆上下两端、桁片下部固结，桥面系与立柱和桥台间设弹性支撑。.强度分析由于旧桥要满足如今的交通要求，公路荷载等级应提升为级，为便于比较，进行强度分析时，公路荷载等级统一取级。在荷载组合“.恒载.活载”作用下，加固改造前后拱脚与跨中截面 表 构件参数及用量表构件截面类型材料截面尺寸截面面积材料用量拱圈箱型 .立柱实腹圆形.形构件箱型 .形构件横联箱型.主纵梁箱型 .两侧纵梁箱型.标准横梁 工字型 .实腹段横梁 工字型 .桁架腹杆 双槽钢 .桁架上弦杆 箱型 .图 加固改造前（）、后（）有限元模型位置的应力计算结果（表）表明：由于加固改造后拱肋作为下桁架的下弦杆，荷载作用时受拉，故拱脚和跨 中 的 最 大 压 应 力 都 降 低，分 别 减 小.、.。表 拱肋应力有限元值对比截面位置最大压应力 加固改造前加固改造后拱脚.跨中.为了确保新增钢结构不发生塑性破坏，根据 公路桥涵设计通用规范，在荷载组合“.恒载.活载.温度荷载”下对钢结构的应力进行计算，结果（表）表明：新增钢结构所受的拉、压应力较小，且符合规范要求。表 各钢结构的应力计算结果构件有限元计算结果最大拉应力 最大压应力 杆.主梁.桁片.石河子大学学报（自然科学版）第 卷.刚度分析在移动荷载工况下对加固改造前后主梁的挠度进行计算，结果（表）表明：通过在拱肋与主梁间增设 杆、桥面上安装桁片，使原有的结构体系转变为双层桁架整体受力体系后，结构的刚度得到大大提高，加固改造后的主梁的最大上、下挠分别仅为.、.，较加固改造前分别减小.、.。表 主梁挠度计算结果构件挠度类型加固改造前加固改造后变化率主梁最大上挠.主梁最大下挠.动力特性分析在恒载作用下对加固改造前后结构的动力特性进行分析，结构的前五阶振动频率及振型特征描述列于表，对应的振型模态如图 所示。表 有限元模型前五阶自振频率及振型特征振型阶次加固改造前加固改造后频率 特征描述频率 特征描述.一阶反对称竖弯.一阶反对称竖弯.二阶对称竖弯.二阶对称竖弯.三阶对称竖弯.三阶对称竖弯.四阶反对称竖弯.一阶主梁正对称扭转.五阶对称竖弯.四阶反对称竖弯图 加固改造前、后拱桥的振型模态 可见，加固改造前后结构的振动主要以面内振动为主，但是在同一振型特征下，加固改造后结构的自振频率提高明显，具体而言，发生一阶反对称竖弯时，加固改造前的自振频率为.，加固改造后自振频率提高了.。因此，新型加固改造方法还可用于解决旧桥动力特性较差的问题。上承式拱桥新型加固改造方法试验研究 为了验证新型加固改造方法对提高原结构力学性能的有效性，本研究修建试验桥进行荷载试验，通过静力荷载等效的方法模拟移动荷载在桥面上出现下挠的最不利荷载工况，测试结构的应力、变形等响应，并与有限元计算结果进行对比与分析。.试验桥布置 试验桥跨径 ，宽 ，矢跨比为，拱轴系数.，上构为全钢，除桥面板使用 外，其余构件均使用。各构件用空间杆件模型模拟，构件参数见表（其中，形杆件与桁片占总用钢量的.），实桥以及总体布置分别如图、图 所示。表 试验桥构件参数表构件截面类型方钢管规格尺寸 面积用量 拱肋箱型.拱肋横联箱型.立柱箱型.立柱横联箱型.杆箱型.杆横联箱型.帽梁箱型.箱梁箱型.桁片弦杆、腹杆 箱型.桁片横联箱型.图 试验桥加固改造前（）、后（）第 期谢肖礼，等：上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证 图 试验桥布置图（单位：）主梁通过橡胶支座架设在桥台与立柱上，增设的钢结构与拱肋、主梁的节点处理方式为焊接。由于加固前后的桥位不变，为了更好地进行对比，试验分两步完成，即先进行传统上承式拱桥的荷载试验，然后增设 形杆件与桁片，最后进行加固改造后的荷载试验。.加载方案设计 利用有限元软件建立试验桥的三维模型，通过移动荷载分析，将加固改造前后的主梁位移包络图（图）进行对比可知，加固改造前后的挠度最大点分别出现在 附近和 附近，因此将这两个地方定为加载位置。试验采用水箱加载的方式进行，加载重量为 ，分三级加载，整体卸载，加载时将水箱悬挂于桥面下方，试验现场如图 所示。采用电阻应变片和精密百分表进行应变与挠度的测量。图 位移包络图对比图 改造后的拱桥水箱加载试验.应力测试截面与测点布置 从拱肋两拱脚开始，每隔 距离选取的位置作为拱肋应力测试截面，其应力测点布置于拱背与拱腹，杆与桁片的应力测点均布置于杆件中部，应力测试截面示意如图 所示，拱肋位移、现场试验时应力和挠度的测点布置分别如图、图 所示。图 各构件应变片粘贴位置示意图图 拱肋位移测点布置示意图图 现场试验测点布置 石河子大学学报（自然科学版）第 卷.试验结果分析 本研究试验所测构件及布置的测点数较多，因篇幅所限，故本文仅给出第 级加载下的试验数据，其中，拱肋拱背与拱腹的试验数据取同侧测点中的最大值。加固改造前后拱肋应力的有限元计算值和试验实测值对比见表 与图；杆与桁片的试验结果与计算结果离散度分析见表，应力对比见图、。表 列出了拱肋位移的试验实测值与有限元计算值，图 与表 对应。表 第 级加载拱肋应力对比拱肋截面位置加固改造前加固改造后拱背应力 拱腹应力 拱背应力 拱腹应力 有限元计算值试验实测值误差有限元计算值试验实测值误差有限元计算值试验实测值误差有限元计算值试验实测值误差.图 第 级加载下拱肋应力对比表 第 级加载下 杆与桁片应力的离散度分析构件试验值与有限元值比值的均值变异系数 杆.桁片.表 第 级加载下拱肋挠度试验结果与计算结果 单位：测点位置有限元计算值试验实测值误差.注：为加固改造前的拱肋挠度；为加固改造后的拱肋挠度。图 第 级加载下 杆应力对比第 期谢肖礼，等：上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证 图 第 级加载下桁片应力对比图 第 级加载下拱肋挠度对比 分析图 至、表 至 可知：加固改造前后拱肋、杆、桁片力以及拱肋挠度的试验数据与计算数据较为相符，试验值与计算值的误差绝大多数在以内，仅少数数据误差较大，整体上吻合度较好，考虑到试验桥的跨径较大，施工过程中容易存在偏差，并且有限元软件计算时对边界进行了理想化处理，试验数据的可靠性较高，试验总体上验证了新型加固改造方法的有效性和科学性。进一步对数据分析可知：加固改造后的拱桥力学性能得到了明显的改善。在第 级加载下，加固改造后拱肋拱背与拱腹最大应力出现在拱脚、拱脚 截面处，与加固改造前相比，上缘与下缘最大应力分别减小了.、.，且加固改造后拱肋的应力变化更为平缓，受力更合理。对 杆与桁片的应力进行离散度分析，结果（表）表明：试验值与有限元值吻合度较好；总体上试验值偏大，考虑到施工误差等原因，试验结果仍较为可信。分析拱肋挠度的数据（表）可知：加固改造前后拱肋最大上挠值分别为.、.，最大下挠值分别为.、.，加固改造后拱肋最大上挠值减小了.，最大下挠值减小了.，进一步说明加固改造后的拱桥刚度得到大幅度提高。结论 本文提出了一种针对上承式拱桥的新型加固改造方法，以有限元分析与试验桥荷载试验手段验证加固改造效果，主要得出以下结论：（）加固改造后结构的承载力得到有效提高。对实桥进行有限元分析时，拱脚和跨中的最大压应力分别减小了.、.；静载试验中，加固改造后拱肋上缘与下缘最大应力分别减小了.、.。（）结构整体刚度得到大幅提高。利用有限元对实桥进行计算时，加固改造后主梁的最大上、下挠分别比加固改造前减小了.、.；静载试验中，加固改造后拱肋最大上挠值减小了.，最大下挠值减小了.。（）本文提出的新型加固改造方法是一种科学、有效的旧拱桥加固改造方法，其在提高结构承载能力与刚度方面优势明显，在进行旧、危桥的加固、提载、改造工程中可加以推广应用。参考文献（）陈宝春，刘君平世界拱桥建设与技术发展综述交通运输工程学报，（）：，（）：，（）：谢肖礼，庞木林，邱辰，等上承式加 拱桥动力特性研究及试验验证上海交通大学学报，（）：，（）：余天庆，蒋永红拱式桥梁加固技术的研究与应用世界桥梁，（）：，（）：黄春亮，杜召华，李蓉，等拱背增大截面法在双曲拱桥加固设计中的应用工程抗震与加固改造，（）：，石河子大学学报（自然科学版）第 卷 ，（）：张淼，钱永久，张方，等基于增大截面法的混凝土加固石拱桥空间受力性能试验分析吉林大学学报（工学版），（）：，（），（）：谢俊武，彭辉拆与不拆拱上建筑下增大截面法加固双曲拱桥模拟分析公路与汽运，（）：，（）：，：，：，：苏庆田，王思哲，薛智波，等既有铆接钢桁梁桥拓宽改建时的主桁构件加固设计桥梁建设，（）：，（）：杨雪峰预应力混凝土空心板桥梁加固方法对比分析中外公路，（）：，（）：，：杨俊，周建庭，程俊，等基于断裂力学的 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