1、1加固厚度对圬工拱桥内套拱加固结构受力影响分析摘要：为研究内套拱加固拱桥的力学性能，运用 ANSYS 有限元程序建立了加固计算仿真模型，在考虑二次受力的前提下，分析比较了不同内衬拱厚度加固时控制断面的极限承载力，并对加固设计中应注意的问题提出了相关建议。 关键词：圬工拱桥，内套拱；加固；力学性能；有限元 Abstract: For studying the mechanical characteristics of inner arch strengthening masonry arch bridge, and by building simulating models with the h
2、elp of ANSYS FEA program, this paper analyzed and compared the ultimate bearing capacities of control sections when adopting different inner arch thickness, and provided some advises on keys of strengthening design. Key words：masonry arch bridge；inner arch；strengthening；mechanical characteristics；FE
3、M 中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 1. 引言 拱桥作为中国传统优势桥型，在我国的交通建设与发展历史上发挥着极其重要的作用。随着服役期限的增加，不少圬工拱桥受到材料风化、2超重车辆和自然灾害的破坏与影响，逐步变成了旧桥、病桥甚至危桥，已不能满足交通量日益增长的需要，亟待加固改造。圬工拱桥上部结构常用的加固方法一般有增大拱肋截面、调整拱轴线、改变结构体系、体外预应力、粘贴钢板（碳纤维）加固技术等12。内套拱圈加固属于增大截面加固方法，以其对原有结构的损伤小、加固施工速度快、加固效果好等优点，得到了广泛的使用。 内套拱法加固在作用原理上属于二次叠
4、合受力的范畴，由新旧拱圈形成的组合结构受力可以分为两个明确的受力阶段，第一阶段受力为新浇混凝土与拱圈所形成的组合结构，在新旧拱圈自重产生的应力；第二阶段为加固层混凝土达到设计强度以后，组合结构整体工作，在车辆荷载、加固后二期恒载和其他活载作用下承受应力3。二次受力结构和一次受力结构计算有较大差异，本文通过 ANSYS 有限元软件，分析了考虑二次受力条件下，内套拱法不同加固厚度下结构的力学性能，对加固设计提出了相关思考和建议。 2.实桥简介及加固目的 本文以某公路中桥做为计算分析对象，其基本情况为：跨径为 30 米的空腹式等截面悬链线圬工拱桥，其桥梁全长为 47.5 米，矢高 6 米，矢跨比 1
5、/5，主拱采用 20 号混凝土预制块砌体，拱厚 0.75 米。桥面净宽为：净 4.5 米（行车道）+20.75 米（人行道） 。重力式桥台。设计荷载为汽车15 级，于 1995 年建成。由于该桥经常有重型车从桥上通行，导致桥跨结构出现不同程度的损伤。上部结构主要病害为：主拱圈跨中、四分点产生裂缝，其它位置未发现纵、横向裂缝。 3根据目前交通组成，结合荷载试验及初步计算的结果，采用增大截面法对主拱圈进行加固，即在主拱圈下衬钢筋混凝土层以改善主拱圈的受力，使其荷载等级提高到公路-级。 3. 设计参数及有限元模型 3.1 设计参数 内套拱圈采用 C40 混凝土，钢筋采用 HRB335。本构关系和材料
6、性能采用规范值45。 3.2 有限元模型 在模型中采用的单元类型为模拟混凝土材料的 SOLID65。对拱桥建立模型时采用映射网格划分法模型单元划分如图 1 所示6。在实际计算中，由于主拱在不计拱上建筑的联合作用的时候是偏于安全的，因此以裸拱为计算对象建模。 图 1 拱圈有限元模型 边界条件在结构分析中极为重要，它的形式将影响整个结构的受力状态，对于分析结果的正确性起到关键性作用。该拱桥为无铰拱桥，故取两端拱脚截面为固定约束。 3.3 加载方案 荷载分为自重与二期恒载两种形式，二期恒载以面荷载的形式施加在拱桥主拱的表面上。为了求解精确，荷载总效应应略大于其极限承载力，经过多次试算，二期恒载定为
7、300KPa，布载面积为 30m6m。 4依据载荷变化方式可以将整个载荷时间历程划分成多个载荷步即Load Step，每个载荷步代表载荷发生一次突变或者一次渐变阶段。在载荷步时间段内，载荷增量可以进一步分成多个子步，每个子步内的载荷增量仅仅是当前载荷步内载荷增量的一部分，在子步载荷增量的条件下程序需要进行迭代计算，最终求解系统在当前子步时的平衡状态。 在实际桥梁当中，未加固前桥梁已承受自重荷载，梁具有初应变，加固后加固材料与梁共同承受二期荷载。为了与实际情况一致，模型中分两个荷载步，第一个荷载步为加固前自重工况下梁的受力状况，第二个荷载步为激活加固材料，使其与桥体共同承受二期荷载，即可以求得各
8、种加固方法下的极限承载力。 4. 拱桥加固性能分析 4.1 加固前受弯性能分析 经过计算得到荷载与截面挠度图，如图 2 所示。 图 2 荷载与跨中截面挠度曲线 从以上数据可知，加固前结构挠度达到 0.059m 时发生破坏，相应的跨中截面极限承载力为 38311.15kN。 4.2 内套拱法加固后性能分析 分别对套拱加固厚度为 30cm、40cm、50cm 时进行分析。新增拱圈与原拱圈的连接不考虑相对滑移，二者协同受力。 （1）30cm 套拱加固 5荷载与挠度变化关系见图 3。 图 3 荷载与挠度曲线 由图 3 可知，套拱厚度为 30cm 加固时，当拱桥挠度达到 0.02242m时破坏，相应的跨
9、中截面极限承载力为 46639.66KN。 图 4 拱桥应变图 由图 4 可知，此时混凝土最大压应变为 0.0028，并且主要出现在L/4 截面及拱脚截面。 （2）40cm 套拱加固 荷载与挠度变化关系见图 5。 图 5 荷载与挠度曲线 由图 5 可知，套拱厚度为 40cm 加固时，当拱桥挠度达到 0.243m 时拱桥破坏，相应的跨中截面极限承载力为 59084.32KN。 图 6 拱桥应变图 由图 6 可知，此时混凝土最大应变为 0.00323，超过混凝土极限压应6变 0.003，混凝土已破坏；并且主要出现在拱脚截面、L/4 截面及跨中新加固部分。 （3）50cm 套拱加固 荷载与挠度变化关
10、系见图 7。 图 7 荷载与跨中截面挠度曲线 由图 7 可知，套拱厚度为 50cm 加固时，当结构挠度达到 0.017151m时破坏，相应的跨中截面极限承载力为 71415.76KN。 图 8 拱桥应变 由图 8 可知，此时混凝土最大应变为 0.003345，超过混凝土极限压应变 0.003，拱桥破坏。并且主要出现在拱脚截面、L/4 截面及跨中新加固部分。 4.3 不同厚度套拱加固结果对比 图 9 加固前与加固后荷载挠度曲线对比 表 1 不同厚度套拱加固计算结果 7以上表明，加固后结构承载力比加固前结构承载力有了提高，其中套拱厚度为 30cm 加固时结构的极限承载力比加固前的提高了 21.7%
11、；套拱厚度为 40cm 加固时结构的极限承载力比加固前的提高了 54.2%；套拱厚度为 50cm 加固时结构的极限承载力比加固前的提高了 86.4%。随着套拱厚度的增加，加固拱桥的极限承载力逐渐增长。 5. 结论 （1）采用内套拱法加固圬工拱桥，加固后与加固前的结构状态相比主拱圈的最大和最小控制弯矩均增大了，而且随着拱圈加固厚度的增大，控制弯矩值均呈增大的趋势，挠度呈递减的趋势，因此不能盲目增大拱圈加固厚度，详细设计时可考虑对加固厚度做最优化处理。 （2）拱桥的控制截面主要集中在拱顶、L4 以及拱脚等几个部位但在加固计算中经常会遇到原拱圈截面拉应力超限的情况。但在实际加固实践中，许多桥梁并不存
12、在这样的破坏，说明桥梁实际工作状态与所采用的理论还有一定的差异。对石拱桥而言，计算中都假定为固结的无铰拱，这种假定与实际受力是有一定差异的，因为石拱桥在拱脚处仅仅用砂浆砌筑，实际受力应处于无铰拱和两铰拱之间。 （3）当加固后计算出的拱圈截面应力超过规范限值时，可以采取卸除部分或全部拱上建筑来减小拱圈截面应力的处理方法。因为卸除拱上建筑后，拱圈截面应力可以得到部分恢复，一旦形成组合截面，再恢复拱上建筑，或同时选用轻质的拱上填料，此时拱上填料由组合截面共同受力，截面应力可得到改善。 8参考文献： 1 颜向群，李海梁石拱桥常见病害与预防措施公路与汽运2003（6）.69-70 2 王国华石拱桥常见病害与技术改造广东交通职业技术学院学报2005（4） 48-49 3 赵顺波张新中混凝土叠合结构设计原理与应用M北京：中国水利水电出版社，2001 4 郝文化ANSYS 土木工程应用实例M北京：中国水利水电出版社，2005
