RC刚架拱桥的板桁组合加固及动力特性_谢肖礼.pdf

第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.4April 2023RC刚架拱桥的板桁组合加固及动力特性谢肖礼1 勾文鑫1 庞木林1 邱辰1，2（1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.梧州学院 机械与资源工程学院，广西 梧州 543000）摘要：钢筋混凝土（RC）刚架拱桥常见的加固方法大多属于局部加强而非整体改造，因此对于改善结构受力性能的作用极其有限，难以满足我国现阶段公路交通荷载日益增大的需求。针对以上问题，文中首先提出了一种新型加固方法板桁组合加固法，该加固方法在主梁两侧架设钢桁架，通过植筋、焊接、铺设钢筋网和浇筑混凝土等措施使钢桁架与主梁牢固连接，形成板桁组合结构，从而使结构受力从主梁受力体系转变成板桁组合受力体系，实现对结构受力的优化；然后，利用该方法对某刚架拱桥进行加固改造，通过有限元仿真模拟与桥梁动载试验，对该新型加固方法的有效性和实用性进行验证。结果表明：加固后结构自振频率有效提高；竖向刚度和承载力显著增大；结构一阶面内竖弯频率理论值较加固前提高80.5%，公路-I级荷载作用下加固后结构下挠值较加固前减小56.8%，混凝土构件应力水平较加固前减小10.9%69.8%；该加固方法对结构的动力特性具有改善作用，加固后结构的竖向振动效应小于加固前且实测冲击系数远小于现行规范值，结构动力性能良好。关键词：钢筋混凝土；刚架拱桥；板桁组合加固法；动载试验；自振频率；竖向刚度；冲击系数中图分类号：U445.7+2文章编号：1000-565X（2023）04-0031-13钢筋混凝土（RC）刚架拱桥具有构件少、自重轻、施工方便、经济指标良好等优点，自20世纪70年代末开始的相当长一段时间内，这种桥型在我国得到了广泛应用。然而，随着服役时间的延长和交通量的增加，该类桥梁逐渐出现承载能力不足、整体性和横向稳定性变差等问题，导致桥梁结构极易产生病害，如微弯板开裂、断板乃至穿孔、塌陷，大小节点和实腹段开裂、桥面开裂等，严重影响甚至危害行车安全1。由于刚架拱桥数量较多，且大部分位于乡镇交通要道，如果全部拆除重建则会造成巨大的资源和资金浪费，但若继续使用又存在安全隐患，因此须对其进行加固改造。通常，刚架拱桥的加固方法主要有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法、压力注浆法和拱索体系加固法等2。然而，上述方法中，仅有体外预应力加固法和拱索体系加固法能有效提高桥梁刚度和承载力，但是体外预应力加固法对施工技术和施工质量的要求较高且不适用于已经长期服役的混凝土3-4，拱索体系加固法施工困难且容易破坏拱圈整体性5，故这两种方法均难以全面推广。由于建成时间早，故刚架拱桥的设计标准较doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220152收稿日期：20220323基金项目：广西重点研发计划项目（桂科AB18126047）；广西防灾减灾与工程安全重点实验室系统性研究项目（2016ZDX0001）Foundation item：Supported by the Guangxi Key R&D Plan（AB18126047）作者简介：谢肖礼（1963），男，研究员，博士生导师，主要从事力学、结构仿真及非线性、大跨度高性能桥梁研究。Email：通信作者：庞木林（1994），男，博士生，主要从事工程结构承载力设计与优化研究。Email：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）低，常见的加固方法大多属于局部加强，仅能勉强维持加固后结构的原有承载能力，难以有效提高桥梁的力学性能6-16。因此，如何对受损桥梁进行加固提载，使其满足现有交通需求，是目前对刚架拱桥进行加固改造的一大难题，具有重要的工程和社会意义。早期对刚架拱桥的研究主要关注其静力性能，对动力作用下的受力响应关注较少。此外，桥梁加固效果的评价方法大多是在静力条件下引入车辆荷载动力放大系数，并以放大后的静力荷载引起的结构应力和下挠作为强度和刚度的控制手段和评价标准，对加固后结构动力性能的关注度不高17。目前对刚架拱桥动力特性的研究多见于结构病害与损伤识别，而动力特性是评判桥梁刚度与整体性、车辆运营安全性与平稳舒适性的关键因素18-19。因此，着重关注加固后刚架拱桥的动力特性具有重要的实用价值。针对以上工程难题和现实需求，结合板桁组合结构刚度大、承载能力高和振动小的力学优势，依托某实际工程，提出了一种新型的桥梁加固方法板桁组合加固法。文中以结构的动力特性为研究对象，通过有限元仿真模拟与桥梁动载试验，对该新型加固方法的有效性和实用性进行验证。1板桁组合加固法及其力学原理1.1板桁组合加固法板桁组合加固法（如图1所示）是一种通过增设钢桁架，以改变结构受力体系、优化结构受力，从而减小原结构荷载效应、提高整体承载能力的加固方法。该方法利用抗拔抗剪连接件将主梁与钢桁架牢固连接，随后现浇桥面板混凝土进一步保证连接牢靠，最后形成由钢桁架、桥面板与主梁共同工作的板桁组合结构。由于桁架的加入，结构由原来的主梁受力体系转变成板桁组合受力体系，可充分发挥钢桁架优越的受力性能，实现对结构受力的优化。1.2力学原理板桁组合加固法的力学原理主要包括 3 个方面。（1）增大梁高，提高结构的抗弯刚度和固有频率。通常，钢筋混凝土桥梁的自重占全部荷载的比例很大，故梁高受到限制。应力计算公式为max=MmaxhI=MmaxW（1）式中：W为截面抗弯刚度，对实心矩形截面，有W=bh26。由应力计算公式可知，梁的最大正应力与梁高的二次方成反比，即受力不变的情况下，增大梁高，结构抗弯刚度随之增大，应力呈指数减小。但是，如果直接增大原主梁高度，则结构自重会明显增加，以致引起负面效应。为避免该问题，板桁组合加固法以增设桁架的方式实现梁高的增大，可在自重增加很少的情况下提高结构的抗弯刚度。再由结构振动方程：(K-2M)=0（2）式中，K为结构刚度矩阵，M为结构质量矩阵，为结构振动位移矩阵，为结构固有频率。可知结构的固有频率（基频）与刚度成正相关，与质量成负相关。在质量不变的情况下，结构刚度增大，其固有频率随之增大。因此，板桁组合加固法采用自重小、刚度大的钢桁架，可有效提高结构固有频率。（2）提前卸载并采用合理的施工顺序，减小二次受力过程中应力、应变滞后的影响，提高结构承载能力。由于自重和外部荷载作用，加固前原构件已经产生一定的应力（即第一次受力），但是新增构件并不会立即承担荷载，而是在新增荷载的作用下才开始受力，此时原构件与新增构件共同承受新增的外加荷载作用（即原构件第二次受力）。在二次受力过程中，新增构件与原构件相比存在明显的应力、应变滞后效应，导致新增构件无法与原构件同时达到极限状态，材料性能得不到充分应用20-21。定义结构加固前的荷载作用效应Sk与加固前的主梁现浇混凝土抗拔抗剪连接件钢桁架（a）主梁受力体系（b）板桁组合受力体系图1板桁组合加固法受力体系示意图Fig.1Force system diagram of the plate-truss combination strengthening method32第 4 期谢肖礼 等：RC刚架拱桥的板桁组合加固及动力特性抗力Rk之比为应力水平指标，即：=SkRk（3）由式（3）可知，越大，即结构在加固前的荷载作用效应越大，则结构储存的抗力就越小；越小，则结构储存的抗力就越大，新增构件利用率就越高，对提高结构承载力的作用就越大。因此，对值作适当调整（如提前卸载）可以改善新增构件对结构的加固效果22。除提前卸载外，加固过程中采用合理的施工顺序可进一步减小二次受力时应力、应变滞后的影响。板桁组合加固法的结构受力见图2（以跨中新旧构件接触面的钢桁架下弦杆下缘和主梁上缘受力为例），受力过程如下：卸 载 卸 载 后 主 梁 在 自 重 下 的 初 始 应力为0；安装钢桁架钢桁架在自重下的初始应力为a，对主梁产生的应力增量为1；浇筑桥面混凝土钢桁架应力增量为b，主梁应力增量为2；二次受力二次受力过程主要考虑车道荷载的作用（Pk为车道荷载的集中荷载标准值，qk为均布荷载标准值），此时，钢桁架应力增量为c，主梁应力增量为3。由以上受力过程可知，先安装钢桁架，后浇筑桥面混凝土，加固完成时（二次受力前），钢桁架下弦杆下缘应力为a+b，主梁上缘应力为0+1+2，钢桁架较主梁的滞后应力为(0+1+2)-(a+b)。若先浇筑桥面混凝土，再安装钢桁架（即交换第、第的施工顺序），此时钢桁架下弦杆下缘应力仅为a，而主梁上缘应力仍为0+1+2，此时钢桁架较主梁的滞后应力为(0+1+2)-a，可见，后者滞后的应力更大，不利于新旧构件的协同工作，也难以发挥钢桁架的材料性能。因此，采用先安装钢桁架后浇筑桥面混凝土的施工顺序，可进一步减小钢桁架的滞后应力，提高结构的整体工作性能。（3）钢桁架竖向刚度大于主梁，二次受力时可分配更多荷载，减小主梁的荷载效应。钢混连接处采用抗拔抗剪连接件并浇筑混凝土，荷载作用下钢桁架与主梁变形协调，两者无相对滑移和分离，竖向变形一致。因此，桁架、桥面板与主梁三者以整体的形式共同承载，由于荷载按刚度分配，而钢桁架竖向刚度大于混凝土梁，故二次受力时前者分配的荷载更多，既能减小主梁的荷载效应，又能充分发挥钢材的力学特性。2工程实例2.1结构形式某钢筋混凝土刚架拱桥，主跨48.0 m，桥面总宽 9.5 m，横桥向布置 3 道拱腿和斜撑，间距为3.32 m。桥面系采用矢跨比为1/14、厚15 cm的微弯板及现浇混凝土填平层。跨中横截面和立面布置分别如图3、图4所示。2.2主要病害情况由于交通荷载不断增加、不利环境长期影响，该桥出现了各种损伤与老化，上部结构主要是横向联系、微弯板、悬挑板及桥面混凝土剥落、露筋和塌陷等病害，下部结构则是桥台产生裂缝。结构主要病害情况如图5所示。0（a）卸载 a1（b）安装钢桁架b2（c）浇筑桥面混凝土 Pkqkc3（d）二次受力图2受力过程Fig.2Loading process1#梁2#梁3#梁135125125700332332 图3横截面布置图（单位：cm）Fig.3Layout of cross-section（Unit：cm）33第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2.3加固改造（1）开凿槽口，卸除部分荷载在1#梁和3#梁上部的桥面板上，沿桥梁纵向开凿宽度为33 cm的槽口直至露出桥面板内部钢筋层（如图6所示）。（2）安装钢混连接件首先，从桥台开始，每隔4 m在槽口中植入直径为24 mm，长度为250 mm的精轧螺纹钢，植筋时避开原结构钢筋（如图6-8所示）。然后，将精轧螺纹钢与上部的缀板1焊接，缀板1上焊接双槽钢，双槽钢顶部焊接缀板2，外部焊接节点板，形成桁架下弦杆（如图7-8所示）。最后，向双槽钢内部及外侧灌注C30混凝土，形成下弦杆内填层及下弦杆外包层，保证下弦杆与原桥面牢固连接（如图7-9所示）。（3）分节段安装钢桁架待下弦杆的内外层混凝土达到设计容许强度后，在下弦杆节点板内安装并焊接桁高2.0 m、总长52.0 m的钢桁架。钢桁架分3个节段拼装，相邻节段采用焊接工艺连接。（4）铺设钢筋网凿毛桥面混凝土，冲洗桥面，其上铺设钢筋网（如图9所示）。（5）浇筑桥面混凝土桥面铺装厚度为12 cm的C30混凝土，待混凝土达到设计强度，新旧混凝土连为一体后，此时桁架与原构件共同受力。混凝土浇筑顺序为：由两端的桥台开始向跨中对称连续浇筑（如图 10所示），保证拱腿和两端钢桁架先受力，以使结构达到最佳的稳定状态。加固改造后的结构布置如图 11-13所示。从上述加固改造的流程可以看到，整个施工过程均在桥面上进行，无需在桥下搭设支架和模板等，避免了高空作业，施工较为安全、简便，且拼装和焊接钢桁架、浇筑混凝土等施工技术成熟，施工质量有保证。此外，钢