增大截面加固法对小跨径拱桥承载力影响_郝小军.pdf

低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.030增大截面加固法对小跨径拱桥承载力影响ON THE IMPACT OF THE INCREASED CROSS-SECTION REINFORCEMENT METHOD ON THEBEARING CAPACITY OF SMALL CROSS-BORDER ARCH BRIDGES郝小军（重庆路威土木工程设计有限公司，重庆 400060）HAO Xiaojun（Chongqing Leway Civil Engineering Design Co.,Ltd.,Chongqing 400060,China）【摘要】为研究增大截面加固法对小跨径拱桥承载能力的影响，以3座跨径分别为10、13、16m的拱桥为研究对象，采用midascivil软件建立全桥有限元模型，并结合相关规范计算了增大截面加固法加固前后拱桥的设计荷载，并基于计算结果，总结了增大截面加固法对小跨径拱桥承载能力的影响，为今后小跨径拱桥的加固提供部分工程经验。计算结果为增大截面加固法可以有效降低截面下缘的拉应力和压应力，但是会增加拱轴线的偏心距，影响拱轴线对恒载压力线的偏离值，因此得出结论，小跨径拱桥的增大截面加固法不能盲目的进行加固，主拱圈应根据自身的拱轴线系数，通过计算确定最优加固厚度，使得加固后截面的偏心距尽量小，以达到最优加固效率。【关键词】拱桥；增大截面加固法；承载能力【中图分类号】TU312【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0138-04Abstract：Three arch bridges with spans of 10m,13m and 16m are used as the research objects.The midas civilsoftware is used to establish the finite element model of the whole bridge,and the design loads of the front and reararch bridges before and after the reinforcement method are calculated in combination with the relevant specifications.Based on the calculation results,the effect of increasing the cross-section reinforcement method on the bearing capacity of the small-span arch bridge is summarized,providing engineering experience for the reinforcement ofthe small-span arch bridge in the future.The results show that the method of increasing the section reinforcementcan effectively reduce the tensile stress and compressive stress at the lower edge of the section.However,it increasesthe eccentricity of the arch axis and affects the deviation of the arch axis from the dead load pressure line.The optimal reinforcement thickness of the main arch ring should be determined by calculation according to its arch axis coefficient,so as to minimize the eccentricity of the section after reinforcement,and achieve the optimal reinforcementefficiency.Key words：arch bridge;increasing section reinforcement method;bearing capacity0引言随着国家经济的高速发展，国内的运输行业规模也在日益膨胀，随之而来的则是公路货运车辆的吨位与数量的逐渐增加。因此，上个世纪80、90年代修建的部分桥梁因为无法满足迅速增长的交通压力，出现了不同程度的损伤1，针对此类问题，部分损伤严重的桥梁直接拆除重建，而大多数损伤不致命的桥梁则通过不同办法进行加固以恢复或提高其承载能力，基于此，为了保证车辆的安全运营，桥梁领域的工作者也逐渐将目光转向了桥梁的加固研究。例如，庞俊成2对于运用填芯加固法加固双曲拱桥做了讨论；王艳等3分析锚喷混凝土加固法在双曲拱桥加固中的应用；还有涂世伦等4针对拱背增大截面加固法做了分析和介绍。以上研究均采用了增大截面加固法，并且也证明了增大截面加固法对拱桥加固由相当显著的效果。文中采用midas civil有限元软件建立三座跨径分别为10、13、16m的拱桥有限元模型，结合相关规范，计算了拱桥的设计荷载、偏心距、基频等参数，然后采用增大截面加固法加固拱桥，重新计算加固后的设计荷载、偏心距、基频等参数，通过将加固前后的控制参数进行对比，探究增大截面加固法对拱桥承载能力的影响，为今后该类拱桥的加固提供经验参考。1工程概况文中分析采用的桥梁上部结构为上承式无较板拱，计算3种跨径为10、13m和16m，桥宽8.5m，计算跨径 10m 钢筋混凝土板拱桥（L=1000cm，f=250cm，f/L=1/4），矢高250cm，主拱圈厚45cm，计算跨径13m钢筋138混凝土板拱桥（L=1300cm，f=325cm，f/L=1/4），矢高325cm，主拱圈厚55cm，计算跨径16m钢筋混凝土板拱桥（L=1600cm，f=400cm，f/L=1/4），矢高400cm，主拱圈厚65cm；下部结构根据地质勘查资料采用扩大基础；主拱圈采用满堂支架现浇，首先在支架上完成主拱圈的施工，待混凝土强度达到设计强度的90%后拆除支架，然后进行拱上侧墙、拱背填料、桥面系及附属设施的施工。拱圈采用C35混凝土，桥台及基础采用C30混凝土。因桥梁修建较早，已无法满足日益增大的车流和荷载，综合考虑之下，采用增大截面加固法对3座桥进行提载加固设计。加固方法为在拱圈截面下缘通过钻孔植筋的方式新浇筑一层10cm厚C40混凝土5，待新混凝土达到强度后与旧混凝土共同承载桥面传下的荷载。2拱桥有限元模型考虑到工程为上承式钢筋混凝土板拱，主拱圈在横截面上的受力较为均匀，因此建立模型时直接采用梁单元模拟主拱圈，并且不考虑拱上填料的刚度，转而采用连续荷载模拟拱上填料的重度，拱桥的加固采用施工阶段联合截面进行模拟6。10、13m和16m跨度的拱桥拱上填料荷载变化形式从桥梁起点至终点分别满足式（1）式（3）的函数。F（x）=-1.8x2+18x-54（1）F（x）=-1.065x2+13.846x-54（2）F（x）=-0.703125x2+11.25x-54（3）全桥模型如图1所示。3计算结果3.1原桥计算结果与分析除计入恒载、混凝土收缩及徐变外，还包括活载（按公路二级，双向两车道考虑），全桥均匀升、降温20，日照升降温差分别按+14及-7考虑，拱脚不均匀沉降取 5mm，加载后，桥梁受力如图 2图 5 所示。可以看出恒载作用下3座拱桥的最大弯矩跨径由小到大分别为704.3、952.7kNm和1235.3kNm，最大轴力跨径由小到大分别为1121、1762kN和2504kN，现将每种荷载组合下的弯矩及对应的轴力导出，求得最大偏心距跨径由小到大分别为0.77、0.58m和0.5m，随着桥梁跨径的逐渐增大，拱轴线偏离恒载压力线的数值会逐渐减小，即拱脚处的竖向荷载的增长幅度会逐渐放缓，但水平荷载的增长幅度会逐渐增大。图1全桥有限元模型图5基本组合作用下主拱圈弯矩图2恒载作用下主拱圈轴力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE轴力-5.10933e+02-6.92136e+02-8.73339e+02-1.05454e+03-1.23574e+03-1.41695e+03-1.59815e+03-1.77935e+03-1.96056e+03-2.14176e+03-2.32296e+03-2.50417e+03图3恒载作用下主拱圈弯矩MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE弯矩-y7.26272e+025.47951e+023.69630e+021.91309e+020.00000e+00-1.65333e+02-3.43654e+02-5.21975e+02-7.00296e+02-8.78617e+02-1.05694e+03-1.23526e+03MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE轴力-1.82580e+03-2.05032e+03-2.27484e+03-2.49936e+03-2.72388e+03-2.94840e+03-3.17292e+03-3.39744e+03-3.62196e+03-3.84648e+03-4.07101e+03-4.29553e+03图4基本组合作用下主拱圈轴力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE弯矩-y1.98566e+031.51068e+031.03570e+035.60719e+020.00000e+00-3.89239e+02-8.64219e+02-1.33920e+03-1.81418e+03-2.28916e+03-2.76413e+03-3.23911e+03图6基本组合作用下主拱圈上缘应力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合1（-y,+z）6.19320e+005.25470e+004.31620e+003.37770e+002.43920e+001.50070e+005.62197e-010.00000e+00-1.31480e+00-2.25330e+00-3.19180e+00-4.13030e+00139低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294主拱圈在基本组合下的应力如图 6、图 7 所示。可以看出基本组合作用下3座拱桥的最大拉应力跨径由小到大分别为6.19、5.57MPa和5.1MPa，最大压应力分别为4.1、3.9MPa和3.7MPa。原桥基本频率如表1所示。3.2加固后拱桥计算结果与分析桥梁加固后，结构受力如图8图11所示。由图8图11可以看出，恒载作用下3座拱桥的最大正弯 矩跨径由小到大分别为 1265、1557kNm 和1875kNm，最大轴力跨径由小到大分别为 1057、1791kN和2613kN，现将每种荷载组合下的弯矩及对应的轴力导出，求得最大偏心距跨径由小到大分别为2.48、1.1m和0.79m，加固后同样随着桥梁跨径的逐渐增大，拱轴线偏离恒载压力线的数值会逐渐减小，且偏离值的减小速度更大。图7基本组合作用下主拱圈下缘应力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合3（+y,-z）3.76978e+002.79307e+001.81636e+008.39650e-010.00000e+00-1.11377e+00-2.09048e+00-3.06719e+00-4.04390e+00-5.02061e+00-5.99732e+00-6.97403e+00表1原桥1阶振型桥梁10m跨径13m跨径16m跨径基频1316.121.3振型图11基本组合作用下主拱圈弯矩图8恒载作用下主拱圈轴力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE轴力-2.84487e+02-4.96214e+02-7.07941e+02-9.19668e+02-1.13139e+03-1.34312e+03-1.55485e+03-1.76657e+03-1.97830e+03-2.19003e+03-2.40176e+03-2.61348e+03图9恒载作用下主拱圈弯矩MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE弯矩-y1.08509e+038.15930e+025.46766e+022.77602e+020.00000e+00-2.60726e+02-5.29890e+02-7.99054e+02-1.06822e+03-1.33738e+03-1.60655e+03-1.87571e+03MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE轴力-2.07331e+03-2.31236e+03-2.55141e+03-2.79045e+03-3.02950e+03-3.26855e+03-3.50760e+03-3.74665e+03-3.98569e+03-4.22474e+03-4.46379e+03-1.70284e+03图10基本组合作用下主拱圈轴力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM FORCE弯矩-y2.75306e+032.06985e+031.38664e+037.03429e+020.00000e+00-6.62991e+02-1.34620e+03-2.02941e+03-2.71262e+03-3.39583e+03-4.07904e+03-4.76225e+03图13基本组合作用下主拱圈下缘应力MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合1（-y,+z）7.03525e+006.01510e+004.99495e+003.97480e+002.95465e+001.93450e+009.14350e-010.00000e+00-1.12595e+00-2.14610e+00-3.16625e+00-4.18640e+00MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM STRESS组合3（+y,-z）4.13585e+003.08800e+002.04016e+009.92323e-010.00000e+00-1.10336e+00-2.15120e+00-3.19904e+00-4.24688e+00-5.29472e+00-6.34256e+00-7.39040e+00图12基本组合作用下主拱圈上缘应力140主拱圈在基本组合下的应力如图 12、图 13 所示。可以看出，基本组合作用下3座拱桥的最大拉应力跨径由小到大分别为7、6.2MPa和5.7MPa，最大压应力分别为7.4、6.9MPa和6.5MPa。加固后桥基本频率如表2所示。3.3加固前后拱桥受力对比为方便对比分析，现将加固前后的控制荷载整理见表3表5。从表3表5可以得出，加固后拱桥的弯矩、偏心距以及基本频率均有了不同程度的增加，随着跨径的增加，变化幅度也逐渐减小。弯矩和偏心距的增加会使得拱桥的承载效率变低，而基频的增加则会使得汽车的冲击效应变大，此外，增大截面之后，主拱圈的质量也随之增加，拱脚的支反力和水平推力有了明显的变化，且不同拱桥的拱轴线系数、拱上荷载、地基沉降量等均不相同，因此水平推力和支反力也有不同程度的变化，加固前应根据桥梁检测结果，对拱桥进行全面的计算，以确保地基能够满足桥梁竖向承载能力和抗滑能力要求。4截面加固法设计建议通过文中3种跨径的拱桥加固前后的受力对比，提出建议：对于小跨径拱桥，增大截面加固法可以有效降低拱桥截面上下缘的应力，但是会改变拱轴线的偏心距，并且显著增加了拱脚的支反力和水平推力，因此不用一味地通过增大截面减小受力，在加固前，可以由设计人员根据拱桥的拱轴线系数试算出最优加固厚度，使加固效率达到最高，并在施工前应着重复核加固后的地基承载力是否满足要求。5结语基于文中研究，得出如下结论：（1）增大截面加固法可以有效降低拱桥截面上下缘的应力，但会影响拱轴线的偏心距。（2）采用增大截面加固法时，不仅要降低截面的应力，更要使偏心距达到最小，提高加固效率。表2加固后桥梁1阶振型桥梁10m跨径13m跨径16m跨径基频15.319.526.8振型表3拱圈加固前后最大弯矩作用下对比加固前加固后跨径/m101316101316控制截面拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚最大弯矩/（kNm）109117891506246919733231173430542216385427524762对应轴力/kN71515831209235917683245138614785145914542468偏心距/m1.531.131.251.051.121.0012.574.972.822.641.891.93表5拱圈加固前后基频及反力对比加固前加固后跨径/m101316101316基频21.316.113.026.819.515.3拱脚反力/kN196325893295211827903542拱脚水平推力/kN181924173096206427033425加固前加固后跨径/m101316101316控制截面拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚拱顶拱脚最大弯矩/（kNm）183324572433331831144297207827382719366034434702对应轴力/kN44196353248.94954136431536121757偏心距/m0.020.080.010.100.120.020.130.010.150.040.16表4拱圈加固前后最大轴力作用下对比（下转第146页）141低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294于2021年12月26日中午12时使用全站仪进行挠度测量作为准确值，同毫米波雷达采集数据进行修正前与修正后挠度值对比如表5所示。由表5可得，使用基于优化函数构造的挠度测量方法进行修正后，雷达实测挠度值明显接近全站仪实测值，验证了文中所述误差修正方法的有效性。5结语文中针对桥梁挠度的监测难题，采用毫米波雷达进行监测，构建优化函数来提高测量精度，得出以下结论：（1）毫米波雷达技术可用于中小跨径桥梁的挠度监测，当测试距离在 30m 以内时，测量精度可达95%左右，当测量距离超过50m，其挠度测量精度下降到90%左右，无法满足桥梁健康监测的需求。（2）文中提出的基于优化函数构造的优化方法对毫米波雷达挠度实测值进行修正后，桥梁挠度实测精度可以达到5%左右，满足桥梁健康监测的要求。（3）综合经济成本与测量精度要求，使用文中所述方法进行优化函数构造方法提高测量精度时，建议对桥梁进行三级加载即可。参考文献1 吴海军，陈泓玮，屈浩然.中小跨混凝土梁桥和大跨径桥梁健康监测差异初探 J.中外公路，2021，41（4）：7.2 高怀志，王君杰.桥梁检测和状态评估研究与应用 J.世界地震工程，2000（2）：57-64.3 杨扬.新形势下提高道路桥梁养护质量的措施 J.山西建筑，2018，44（11）：228-229.4 杨志辉.中国高速铁路桥梁建设关键技术 J.冶金丛刊，2018，17（1）：70-71.5 曹少飞.桥梁结构试验检测应变和挠度测量新方法研究 D.西安：长安大学，2007.6 曾程.百分表对中找正表架垂直挠度的控制方法 J.现代制造技术与装备，2018（12）：3.7 张俊中，朱义朝，刘乾，等.基于全站仪在桥梁挠度检测中的应用和研究 J.测绘与空间地理信息，2019，42（1）：4.8 毛建平，周小冬，覃乐勤.智能全站仪在大跨径桥梁荷载试验中的应用 J.西部交通科技，2016（9）：87-89.9 基于小波神经网络的毫米波雷达目标距离像识别 J.红外与毫米波学报，2002，21（1）：1-5.10罗翔.毫米波雷达信号处理与精密测量应用研究 D.江苏：中国矿业大学，2020.11刘志平，罗翔，何秀凤.利用毫米波雷达测量系统的高铁车桥振动检测 J.同济大学学报：自然科学版，2021，49（4）：8.12孙元峰.一种基于毫米波雷达的汽车盲区监测系统开发及测试应用 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