搜索大跨變截面懸鏈線雙曲拱橋加固后承載能力分析
2016-11-06 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
雙曲拱橋是我國20世紀(jì)60~70年代常用的一種拱橋形式,由于該類拱橋結(jié)構(gòu)整體性差,施工質(zhì)量變異大,設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低,隨著交通量和車輛載重的增加,橋梁長期處于超載和大交通量條件下運(yùn)行,至今幾乎所有的雙曲拱橋都出現(xiàn)不同程度的病害,對該類橋型的加固改造工程屢見不鮮。由于時間上的差異性及加固前后結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異性,對于雙曲拱橋承載能力評估及分析的標(biāo)準(zhǔn)是工程界經(jīng)常討論的話題,歸納為以下兩點(diǎn):
(1)由于計(jì)算方法的限制,20世紀(jì)60~70年代設(shè)計(jì)雙曲拱橋時,內(nèi)力計(jì)算多采用經(jīng)典力學(xué)方法手算,即應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)及相關(guān)橋梁工程知識把主拱圈看成裸拱進(jìn)行計(jì)算分析,該方法很難解決高次超靜定問題,而且存在大量的假設(shè),不考慮拱上聯(lián)合作用,也很少考慮連拱效應(yīng)等,使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的差別。
(2)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范在近50年內(nèi)經(jīng)過多次修改,大跨度橋梁應(yīng)按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行加固設(shè)計(jì),因此必然存在荷載等級的區(qū)別,加固前后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度分析標(biāo)準(zhǔn)同樣也存在區(qū)別。
某大橋位于湖北省境內(nèi),該橋?yàn)橹骺?0m的鋼筋混凝土變截面懸鏈線無鉸雙曲拱橋,全長116.3m,矢跨比1/8,設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)為 2.814,變厚系數(shù)0.13,橋?qū)挷贾脼閮?m+2×1.0m, 全寬l0m。主拱圈構(gòu)造為五肋四波懸半波,原設(shè)計(jì)荷載為汽-20級、掛-100級,人群荷載2.5kN/?。
1主要病害
該橋1979年竣工通車,至今已有30年。由于原橋設(shè)計(jì)、施工以及后期超負(fù)荷運(yùn)營等原因,導(dǎo)致目前該橋出現(xiàn)一定程度的病害。經(jīng)過檢查:
(1)主拱圈拱波頂部普遍發(fā)現(xiàn)縱向裂縫,最長約2m,沿裂縫有明顯的滲水痕跡;腹拱圈微彎板有多處縱向裂縫,漏水現(xiàn)象嚴(yán)重,多數(shù)縱向裂縫已貫通整個腹拱,且裂縫較寬,最大達(dá)1mm。
(2)橋面破損嚴(yán)重,局部有坑槽,橫坡、縱坡不平順,行車條件較差;人行道缺損嚴(yán)重;全橋欄桿基本都有破損,混凝土剝落情況嚴(yán)重,多處露筋。
該橋主拱肋為整體現(xiàn)澆,調(diào)查表明主拱肋總體情況較好,無明顯裂縫,但有局部破損。由以上調(diào)查結(jié)果可知該橋的主要病害體現(xiàn)在主拱圈拱波頂部縱向開裂,拱肋間的橫向聯(lián)系薄弱,橋梁的整體工作性能差,腹拱結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重,但作為拱橋承重結(jié)構(gòu)的主拱肋的受力狀況基本處于彈性階段,若能采取局部補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行加固處理,則主拱圈仍具有相當(dāng)?shù)某休d能力。
2加固措施
根據(jù)對橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要病害分析結(jié)果,按以下原則提出加固方案:通過維修加固補(bǔ)強(qiáng),消除橋梁現(xiàn)有病害,提高橋梁承載力和耐久性,使加固后的橋梁滿足正常使用要求,荷載等級達(dá)到公路-Ⅱ級。
(1)主拱圈實(shí)腹段局部加固
由于原橋的主拱圈采用雙曲拱形式,結(jié)構(gòu)本身橫向剛度不大,實(shí)腹段跨中區(qū)域拱波已出現(xiàn)縱向裂縫。通常多采用增加肋間橫梁等方法提高結(jié)構(gòu)整體剛度,但此種方法一定程度上破壞了主拱肋結(jié)構(gòu),本文提出一種主拱圈實(shí)腹段局部加固的方法,先拆除側(cè)墻和拱上填料,鑿毛拱板,待表面清洗干凈后,植入錨筋,再在其上澆注8cm厚C40鋼筋混凝土板。錨筋將鋼筋混凝土板與拱板連為整體,從而增大拱板受力面積,使其強(qiáng)度提高,同時也增強(qiáng)了拱圈的橫向聯(lián)系。
(2)更換腹拱圈加固
將原雙曲拱式腹拱改成板拱式腹拱,即拆除腹拱,保留拱上橫墻并將其加高至設(shè)計(jì)標(biāo)高,再在橫墻上整體現(xiàn)澆30cm厚鋼筋混凝土板拱,這樣既達(dá)到增強(qiáng)腹拱圈橫向聯(lián)系,改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的目的,同時也替換了原橋嚴(yán)重破損的腹拱。
(3)更換填料,重新鋪設(shè)橋面系
拆除原橋面系,包括橋面鋪裝、人行道和欄桿;拆除側(cè)墻、拱上填料和腹拱拱圈。待實(shí)腹段加固和腹拱加固完成后,鋪設(shè)防水層,澆筑側(cè)墻,分層鋪設(shè)輕質(zhì)填料,安裝護(hù)欄,重新進(jìn)行橋面鋪裝,改善橋面行車性能。
(4)其他構(gòu)件維修養(yǎng)護(hù)
對主拱圈的拱波、橫隔板及腹拱墩的裂縫采用灌注環(huán)氧樹脂的方法封閉處理;對主拱圈、橫墻表面破損的處理方法是先將鋼筋銹跡清除,并把松動的保護(hù)層鑿去,洗凈。如損壞面積不大,可用環(huán)氧砂漿修補(bǔ);如損壞面積過大,可噴注高標(biāo)號水泥砂漿。
承載能力分析討論
1計(jì)算方法對拱橋承載力分析的影響
早期設(shè)計(jì)的雙曲拱橋以經(jīng)典力學(xué)計(jì)算方法為主,且引入一定假設(shè),通常按照彈性支承連續(xù)梁算法計(jì)算出每根拱肋的橫向分配系數(shù),之后再進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,最后進(jìn)行承載力分析驗(yàn)算,計(jì)算過程中不考慮拱上建筑剛度的貢獻(xiàn),造成了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有偏安全的特點(diǎn),這也是該類橋型在后期超載能力較強(qiáng)的主要原因,大量理論研究表明,傳統(tǒng)的拱橋計(jì)算方法,難以準(zhǔn)確反映其實(shí)際承載能力。
有限元技術(shù)的發(fā)展使得結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算分析快速、簡單、準(zhǔn)確,只需按照結(jié)構(gòu)實(shí)際線形及尺寸并選擇合適的單元建立結(jié)構(gòu)空間有限元模型,不需引入假設(shè)計(jì)算拱肋的橫向分布系數(shù),同時還可將拱上建筑及橋面系結(jié)構(gòu)一并建入有限元模型中,這樣便可充分驗(yàn)算全橋的承載能力。對于雙曲拱橋,梁格法模型是目前常用的計(jì)算模型,在拱肋、拱波及拱板之間結(jié)合狀態(tài)良好的情況下,可以把每個拱肋和相應(yīng)的拱板看成一個個縱梁,橫向剛度通過虛擬橫梁模擬,應(yīng)用梁格法建立雙曲拱橋模型,能夠達(dá)到符合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的要求。
①表示計(jì)算示例橋型;②是采用傳統(tǒng)計(jì)算方法的簡圖,實(shí)腹段填料采用曲線均布荷載處理,空腹段立柱處施加集中力荷載,只采用裸拱模擬;③是采用有限元方法并考慮拱上建筑的計(jì)算圖式,只有填料及橋面系結(jié)構(gòu)采用均布荷載模擬,某些情況下,為評定結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確受力狀態(tài),還可以將側(cè)墻橋面系等構(gòu)造一并采用有限元程序模擬。
2加固前后設(shè)計(jì)荷載等級的影響
綜合考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及交通量需求,加固橋梁可能會涉及到提高荷載等級、拓寬等因素,而且現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范下的荷載等級與舊規(guī)范所采用的荷載等級有著一定的差別;早期拱式結(jié)構(gòu)承載力分析方法與新規(guī)范制定的承載力分析方法也有著差異。
本文加固橋梁原設(shè)計(jì)荷載等級為汽車-20級,加固設(shè)計(jì)荷載等級應(yīng)該滿足公路-Ⅱ級。在主拱結(jié)構(gòu)基本沒有病害的情況下,將橋梁加固后荷載等級定為公路-Ⅱ級是可取的。
1有限元模型建立
由于本橋?yàn)樽兘孛鎽益溇€無鉸拱橋,根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)的建議,為準(zhǔn)確判斷該橋的承載能力現(xiàn)狀,在計(jì)算時考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用。采用橋梁專用有限元分析軟件Midas/Civil 利用加固后結(jié)構(gòu)實(shí)測主拱肋線形建立全橋桿系有限元模型,全橋共分為6126個節(jié)點(diǎn),9615個單元,全結(jié)構(gòu)采用梁、板單元模擬,腹拱采用板單元模擬,其余均采用梁單元模擬。邊界條件處理為:在主拱肋拱腳處設(shè)固定支座,邊腹拱靠橋臺側(cè)拱腳處設(shè)鉸支座。
2承載力計(jì)算
《橋規(guī)》規(guī)定,拱圈內(nèi)力系按分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)原則設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)原則是:荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值
式中,
為荷載效應(yīng)不利組合設(shè)計(jì)值;
為構(gòu)件截面面積;
為材料
為縱向力的偏心影響系數(shù)。
對于單向和雙向偏心受壓構(gòu)件,受壓偏心距的限值在基本組合情況下應(yīng)該滿足
計(jì)算結(jié)果表明:加固后各驗(yàn)算截面的偏心距均小于規(guī)范限值0.6,加固后結(jié)構(gòu)各驗(yàn)算截面的計(jì)算值均小于抗力值,且安全儲備較大。
舊規(guī)范的汽車-20級與新規(guī)范的公路-Ⅱ級兩種荷載等級下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果基本保持一致,說明在主拱結(jié)構(gòu)基本沒有病害的情況下,通過局部增大主拱圈截面,更換腹拱圈,減輕結(jié)構(gòu)自重等加固改造措施,可有效消除橋梁的病害,提高橋梁的承載力,經(jīng)計(jì)算表明,橋梁荷載等級達(dá)到公路-Ⅱ級要求。
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