在役石拱桥的钢-混凝土组合结构加固法.pdf

第 9卷第 1期 2 0 1 2年 2月 铁道科学与工程学报 J 0URNAL OF RAI L ， AY SCI E NCE AND E NGI NEERI NG VO l _ 9 NO 1 F e b 2 0 1 2 在役石拱桥 的钢 一混凝土组合结构 加 固法 郭风琪 。 余志武 ( 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 结合工程实例 ， 通过计算分析， 采用钢 一混凝土组合结构配合挂网、 自密实混凝土的方法， 对石拱桥进行加固， 可显 著提高桥梁的承载力、 刚度及防撞击能力， 从而达到桥梁荷载等级提升、 运营能力提高的 目的。同时， 节省了大量模板， 解 决了湖南地区轻型石拱桥粘钢困难， 加固效果难以保证的难题， 为石拱桥的改造加固提供了一种新思路。 关键词 ： 钢 一混凝 土组合 结构； 石拱桥 ； 加 固 中图分类号 ： U 4 4 5 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 2 ) O 1 0 0 0 1 0 4 Re i n f o r c e me n t me t h o d o f i n s e r v i c e s t o n e a r c h b r i d g e wi t h s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e GUO Fe ngq i ， YU Z hi WU ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ，c o mb i n e d w i t h p r a c t i c a l wo r k，s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e fi t t e d w i t h s u s p e n d e d n e t a n d s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e i s a d o p t e d f o r s t r e n g t h e n i n g o f s t o n e a r c h b r i d g e s B y c alc u l a t i o n a n d a n a l y s i s ，t h e me t h o d c a n g r e a tl y i mp r o v e c a r r y i n g c a p a c i t y，r i g i d i t y a n d s t r i k i n g p r e v e n t i o n a b i l i t y o f t h e s tr e n gth e n e d s t r u c t u r e a n d c o n s e q u e n t l y u p g r a d e t h e l o a d a n d i mp r o v e o p e r a t i o n c a p a c i t y o f s t o n e a r c h b r i d g e A t t h e s a me t i me ，i t s a v e s a l o t o f t e mp l a t e s ，s o l v e s t h e p r o b l e m o f d i ff i c u l t y i n l i g h t w e i g h t s t o n e a r c h b ri d g e b o n d e d w i t h s t e e l ，e n s u r e s t h e r e i n f o r c i n g e f f e c t a n d p r o v i d e s a n e w i d e a for s t o n e arc h b ri d g e s t r e n g t h e n i n g Ke y wo r d s ： s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e ；s t o n e a r c h b r i d g e ；s t r e n g t h e n i n g 作为传统文化遗产的石拱桥存在已数千年， 经 久不衰。在近代公路交通中， 仍然发挥着重要的作 用。据统计， 在湖南省的公路桥梁中， 石拱桥有近 4 0 0 0座 ， 总长 l 8万多米 。 随着交通运输业的快速发展 ， 公路负荷 E t 益加 重， 以致众多石拱桥存在不同程度的承载能力不 足、 长期带病( 害) 工作的现状。同时， 为适应新形 势下的交通要求， 这些桥梁往往需要进行提载处 理， 因此， 加固工作迫在眉睫。 1 工程概况 陈家溪大桥位于永定大道上 ， 中心桩号为 K 0 +1 2 6 8 5 ， 与河流夹角为 6 5 。 ， 荷载等级为汽车 一 2 0级 ， 挂车 一1 0 0 。桥梁全长 ( 轴线长度) 6 2 6 m， 桥宽为 4 2 m。上部结构为 2 m x 2 3 4 7 3 m等截面 石砌板肋拱， 矢跨比1 8 。下部构造桥墩为实体式 桥墩 ， 基础为扩大基础； 桥台为重力式桥台。 由于车辆超载严重， 且缺乏养护， 出现明显病 害。经检测， 原老桥存在以下病害： 主拱圈、 腹拱圈 局部开裂， 砂浆不饱满 ， 有少量空洞， 桥面板和人行 道破损 。同时， 因城市道路改造 ， 设计荷载也需提 高到公路 I 级。基于以上原因， 必须对该桥进行加 固。 收稿 日期 ： 2 0 1 2一 叭 一o 6 基金项 目： 湖南省交通厅科技项 目( 2 0 0 8 1 9 ) 作者简介： 郭风琪( 1 9 7 2 一) ， 男， 河南焦作人， 讲师， 博士研究生， 从事桥梁评估、 加固及组合结构研究 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年2月 2 加固方案 石拱桥常用加固方法有增大截面、 减轻恒 载、 改变结构体系、 增加辅助构件等。经过现场调查和 分析 ， 该桥初拟加 固方法为， 腹拱 圈采用钢丝 网喷 射高强复合砂浆方法进行补强， 而对主拱圈， 则提 出 3种方案进行技术经济比较 。 2 1主拱圈加固方案 在进行具体加 固方案比选时 ， 提出了 3种方案 加固主拱圈： ( 1 ) 采用 1 8 0 m m厚钢筋混凝土加 固 拱肋下缘 ； ( 2 ) 采用钢 一混凝土组合截面加固拱肋 下缘 ， 混凝土厚 1 2 0 m m， 钢板厚 1 6 m m； ( 3 ) 采用粘 贴钢板法加固拱肋下缘， 钢板条带尺寸为 6 m m x 2 0 0 mm， 间距 2 0 0 m m。 通过对 比陈家溪桥加固前后的基频变化 ， 从表 1中可以看出， 采用钢 一混凝土组合结构加 固， 与 原结构相 比， 基频提高 幅度最大， 说明刚度增 加最 有效。 另外， 对3种加固方法进行详细内力与应力对 比分析 ， 由于数据较多不一一列 出， 分析表明 ， 前 2 种加固方法效果较好 。而且湖南省的轻型石拱桥 大多在施工时坐浆不密实 ， 或在运营过程 中剥 落， 拱底往往凹凸不平， 采用粘钢加固法很难保证粘结 可靠 ， 因此将粘钢加固方法予以否定 。考虑到为减 少对陈家溪过水断面的影响， 大桥净空减小越少越 好 ， 最终采用钢 一混凝土组合结构加 固方案。因新 增混凝土层断面狭窄且处于主拱圈下方 ， 采用传统 方法难以振捣 ， 容易形成缺陷 ， 设计 改为采用浇筑 自密实混凝土 ， 在保证混凝土质量 的同时， 缩短 了 施工时间， 减少了劳动强度， 也改善了工作环境和 安全性 。 表 1 陈家溪桥 加 固前后基频 变化对 比 Ta b l e 1 C o mp a r i s o n t a b l e o f p i t c h v a r i a t i o n b e f o r e a n d a f t e r r e - i n f o r c e m e n t o f C h e n j i a x i b r i d g e H z 2 2 钢 一混凝土组合结构加固方案 主拱圈的加固采用在钢板上焊接栓钉， 在主拱 圈上植筋 ， 在钢板与原主拱圈截 面之间新浇 自密实 混凝土 ， 通过混凝土的连接和栓钉与植筋的相互咬 合形成共同受力的钢 一混凝土组合截面 ， 断面布置 见图 1 。 I 植筋 l i 魁 2 3 加固施工方法 在对桥梁进行加固施工时， 首先将原拱底用钢 刷刷毛， 并用水冲洗干净； 在石砌体中呈梅花状或 矩形网格状植筋， 植筋时应保证植在石料上， 避免 植在灰缝 中。在加固钢板上画线确定栓钉位置， 如 与植筋位置冲突， 应局部调整错开。加固钢板通常 在工厂焊接成要求 的弧度， 可整体制作安装 ， 或分 条带制作 ， 在施工现场整体安装。植筋与栓钉问需 布置钢筋网片， 为 固定钢筋 网片 ， 可与部分植筋点 焊， 但需注意植筋的降温保护， 以免损害植筋胶的 作用。在加固钢板安装到位后， 在原结构与加固钢 板 间 浇 筑 自密 实 混 凝 土 ， 使 新 老 结 构 成 为 整 体 _ 4 。 加 固施工时 ， 钢板可作为混凝土模板 ， 从而减 少了投资， 大大加快了施工速度； 同时由于钢板外 包在拱圈的最外面， 因此不存在圬工裂缝外露的问 题。钢板的防锈问题则可 以通过表面刷防锈漆来 解决 。 3 结构受力分析计算 3 1 有限元建模方法 ( 1 ) 混凝土与钢板间的黏结摩擦作用机理十 分复杂 ， 因此在有限元模型 中不模拟该作用 ， 而将 其作为结构的安全储备 J 。 ( 2 )栓钉被混凝土握裹 ， 其相互作用机理除 了 黏结摩擦外， 还有接触相互作用。计算时， 划分栓 钉为2 段梁单元， 单元节点在 ， Y和z 3 个方向与 同位置混凝土块体元的平移自由度耦合， 保证了栓 钉和混凝土块体单元的共同工作。 ( 3 ) 混凝土材料采用多线性等向强化模型 ( MI S O) ， 应力一应变曲线采用 H o n g n e s t a d公式计 算， 强度准则采用 Wi l l i a mWa r n k e l 理论 。钢 材采用双线性随动强化模 型( B K I N) ， 屈服后 的弹 第 1 期 郭风琪 ， 等： 在役石拱桥的钢 一混凝土组合结构加固法 3 性模量按 1 屈服 前弹性模 量取值。表 2为钢一 混凝土组合结构的材料及力学性能参数。 表 2 结构材料及力学性能 Ta bl e 2 S t r u c t u r a l ma t e ria l s a n d me c h a ni c a l p r o p e r t i e s 3 2 有限元模型的建立 圬工及混凝土模型均采用 S O L I D 6 5实体单元 模拟 ， 该单元可表现材料脆性 断裂 ， 当拉应力超过 材料强度后 ， 能够在垂直应 力方 向形成弥散 型裂 缝 ， 并相应降低结构刚度和释放开裂 区域的应 力， 从而模拟本桥原设计的“ 平铰 ” 计算方法 ； 栓 钉采 用 B E A M1 8 8 空 间 梁 单 元 模 拟；钢 板 采 用 S H E L L 1 8 1 板单元模拟 。全桥三维有 限元模 型如 图 2所示。 图 2陈 家溪桥有限元模型 F i g 2 F i n i t e e l e m e n t m o d e l o f C h e n j i a x i b ri d g e 3 3 加 固前后桥梁结构计算 在结构的自重、 二期恒载、 公路 I 级汽车荷载 及温度荷载作用下 ， 经计算 ， 陈家溪桥加 固前多处 截面出现拉应力， 最大为 1 0 5 M P a ， 最大挠度 1 5 5 8 m m， 不能满足规范要求。经组合结构法加 固后 ， 最不利应力和挠度( 挠度仅包括加 固二期恒 载和汽车荷载) 计算结果见表 3和图3一图4 ( 图中 坐标 以一跨 的一侧拱脚做为坐标原点) ， 其 中主 拱上缘应力突变是 由于立墙的缘故。可以看出 ， 加 固后， 在公路 I 级的荷载作用下 ， 主拱圈全断面均 为压应力 ， 挠度小 于 2 5 0 0 ， 均满足规范和设计 要求， 承载力和刚度均较原结构有较大程度提高。 表 3 加 固后主拱 圈最不利应 力和挠度 Ta b l e 3 Mo s t u n f a v o r a b l e s t r e s s a n d d e fl e c t i o n of r e i nfo r c e d ma i n a r c h 一 1 o - 1 5 ： 一 3 5 0 跨 长 5 l ( ) 1 5 n 2 5 图 3 加 固后 主拱 上下缘应力 F i g 3 Up p e r a n d l o we r ma r g i n s t r e s s o f r e i n f o r c e d ma i n a r c h 4 加固后效果 通过加固后桥面铺装良好， 主拱线形匀称平顺 ， 行车舒适性提高。同时全桥 的静动载试验结 果显 ( 1 g- 2 盍_ 4 一 1 0 跨 长， m l O l 5 2 ( )2 5 图 4 加 固后 主拱 最大挠度 F i g 4 Ma x i mu m d e fl e c t i o n of r e i n f o r c e d ma i n a r c h 示 ， 在公路 I 级汽车等效荷载作用下 ， 计人结构 自重 和二恒后 ， 全桥 最 大应力 一0 3 8 MP a ， 最 小应 力 一 3 8 6 M P a ， 跨 中挠度最大 7 2 2 mn l ， 残余值 0 1 2 m i l l ， 在试验荷载作用下的实测值均小于理论计算 值； 一阶自 振频率 9 2 2 H z ， 大于理论值。表明该桥 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 2年2月 在加固后整体工作性能良好， 处于弹性工作状态， 结 构刚度满足规范要求， 承载能力满足设计要求， 各项 指标均满足规范要求。图 5为陈家溪 旧桥立面图， 图6为陈家溪桥加 固后立面图， 图 7为拱底组合结 构钢板的照片， 通过对比可以看出， 此桥的加固工程 不仅使结构上得到改良， 在外观上也得到美化。 图 5 陈 家溪旧桥 立面图 F i g 5 E l e v a t i o n d r a w i n g o f C h e n j i a x i o l d b ri d g e 图 6 陈家溪桥加 固后立面 图 F i g 6 E l e v a t i o n d r a w i n g o f r e i n f o r c e d C h e n j i a x i b ri d g e 图 7 陈家溪桥拱底 组合 结构钢板 Fi g 7 C o mp o s i t e s t r u c t u r e p l a t e o n a r c h b o t t o m o f Ch e n - j i a x i b ri d g e 5 结论 通过对桥梁加固后结构性能的分析和计算， 以 及加固后的荷载试验与近 3年的运营， 不但充分说 明了钢 一混凝土组合加固技术是安全可行的， 而且 与其他加固方法相比， 其还具有多方面的优势： ( 1 )钢一 混凝土组合结构加固方法增加截面 高度较小， 对原桥的净空影响不大， 有利于行洪； ( 2 )对石拱桥拱圈的平整度没有要求， 便于加 固且共同工作效果好 ； ( 3 )对拱圈的截面承载力和刚度提高明显； ( 4 )钢板的使用更好地控制了裂缝的发展， 避 免了裂缝的外露 ； ( 5 )钢板可以作为模板， 混凝土湿作业量小， 施工简便， 造价较低； ( 6 )加固后结构外观效果好。 参考文献 ： 1 田云跃 湖南轻型石拱桥的变迁 J 湖南交通科技， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 2 32 6 T I AN Yu n - y u e T h e c h a n g e s o f t h e l i g h t s t o n e b i r d g e i n h u n a n p r o v i n c e J 1 H u n a n C o m m u n i c a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 2 3 2 6 2 陆铁坚， 林国章， 余志武 长沙市八一路跨线桥加固改造 设计 J 工程抗震与加固改造， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 2 ) ： 6 6 6 9 L U T i e - j i a n ， L I N G u o z h a n g ， Y U Z h i w u R e i n f o r c e me n t a n d r e t r o fi t t i n g d e s i g n o f v i a d u c t s o f b a y i r o a d i n c h a n g s h a J E a r t h q u a k e R e s i s t a n t E n g i n e e ri n g a n d R e t r o fi t t i n g 。 2 0 0 7 2 9 ( 2 ) ： 6 6 6 9 3 聂建国， 赵洁， 唐亮 钢板 一混凝土组合在钢筋混 凝土梁加固中的应用 J 桥梁建设，2 0 0 7 ( 3 ) ： 7 6 79 NI E J i a n - g u o ，Z HAO J i e， T ANG L a n g Ap p l i c a t i o n o f s t e e l p l a t e a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e t o s t r e n g t h e n i n g o f r e i n - f o r c e d c o n c r e t e g i r d e r J B ri d g e C o n s t r u c t i o n ，2 0 0 7 ( 3 ) ： 7 6 7 9 4 蔡勇， 余志武 高性能砂浆 一钢丝( 筋) 网加固砖砌 体抗压强度试验研究 J 铁道科学与工程学报， 2 0 0 7 ， 4 ( 5 ) ： 1 5 C AI Yo n g ，YU Z h i - w u E x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n b ri c k m a s o n r y s t r e n g t h e n e d w i t h h i gh p e r f o r m a n c e mo fl a r a n d s t e e l w i r e m e s h J 1 J o u rna l o f R a il w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 4 ( 5 ) ： 1 5 5 王昌良 组合钢梁在旧房改造中的应用 J 铁道科学 与工程学报， 2 0 0 9 ， 6 ( 3 ) ： 7 5 7 9 W ANG C h a n g - l i an g Ap p l i c a t i o n o f c o mp o s i t e s t e e l g i r d e r i n c h ang e s o f o l d b u i l d i n g s J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9， 6 ( 3 ) ： 7 57 9 6 卫星， 李小珍， 李俊等 钢一混凝土混合结构在大 跨度连续刚构桥中的应用 J 中国铁道科学， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 5 ) ： 4 3 4 7 WE I X i n g ， L I X i a o - z h e n， L I J u n， e t a1 Us i n g s t e e l c o n e r G C t e h y b ri d s t r u c t u r e i n l o n g s p a n c o n t i n u o u s ri gi d f r a m e b ri d g e J C h i n a R a i l w a y S c i e n c e ， 2 O O 7 ， 2 8 ( 5 ) ：4 3 4 7 7 张霞， 向中富 钢 一 砼组合梁中两种新型连接件的有 限元分析 J 重庆交通学院学报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 2 ) ： 5 8 Z HANG Xi a ；XI ANG Z h o n g - f u F i n i t e e l e me n t a n aly s i s o f t w o n e w t y p e s o f s h e a r c o n n e c t o r i n c o mp o s i t e s t e e l c o n c r e t e b e a m J J o u rna l o f C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r - s i t y ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 2 ) ： 5 8 8 杨建军， 蒋琳， 赵维， 等 现浇钢筋混凝土空心板非 线性有限元分析 铁道科学与工程学报 J 2 0 0 7 ， 4 ( 3 ) ： 3 8 4 2 Y A N G J i a n - j u n ， J I A N G L i n ， Z H A O We i e t a 1 N o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n aly s i s o n e a s t i n s i t u r e i nfo r c e d c o n c r e t e h o l l o w s l a b J J o u rna l o f R a i l w a y S c i e n c e and E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 4 ( 3 ) ： 3 8 4 2