填芯法加固双曲拱桥的有限元分析及运用

刁 砚，钱永久，王振领

(西南交通大学 土木工程学院，成都610031)

双曲拱桥在我国上世纪60、70年代曾风靡一时，特别在一些交通不方便的山区丘陵地带，更是得到了广泛采用。

然而，随着我国国民经济的快速发展，交通运输量的大增，荷载等级的提高，不少双曲拱桥都出现了较为严重的开裂，特别是拱波部分，出现了明显的纵向裂缝，使其承载能力受到影响，存在安全隐患。因此对于目前在役的大量双曲拱桥，用合适的加固方法进行加固后继续使用，有着较好的社会效益及经济效益。

1 填芯法的概念与优点

目前工程中对双曲拱桥的加固，多采用“填芯”加固方法。所谓“填芯”，其实就是用混凝土将双曲拱桥填平为板拱，同时，为确保新老结构共同作用，填芯混凝土采用自密实微膨胀混凝土，并在原拱波表面凿毛和植筋以增加新老结构的黏结，并适当配以纵向钢筋以提高抗拉强度的方法。

该方法主要有以下优点:

1)由于增大了截面面积，增配了纵向钢筋，可有效地提高承载能力。

2)提高受力的整体性。双曲拱从断面上看相当于肋板拱，虽有横向联系，但受力时整体性仍然较差，“填芯”可加强主拱圈的横向联系，提高受力整体性。

3)相对于其他加强横系梁或改造拱上结构的办法来说，“填芯”加固方法施工简便，效果显著，经济性好，改造费用不高。

这里需要特别说明的是，填芯法是要达到增大拱圈截面提高整体性的作用，而不是再造一个拱圈与原拱圈形成一个叠合拱的形式;因此，填芯部分需与原拱圈紧密结合，整体受力，而不是叠合拱的按刚度分配的受力模式。

2 工程实例

2.1 桥梁状况

四川郫县清安桥位于郫县新民场镇，为跨越徐堰河上的一座桥梁。桥梁结构形式为2×15 m的混凝土实腹双曲拱桥，主拱圈为预制弧形拱波拼装而成(图1、图2)，桥面宽度8.4 m，于1982年建成通车。由于长时间超负荷运营，导致存在一定的病害，出现了一定程度的损伤。

图1 全桥照片

2.2 有限元计算分析

2.2.1 计算分析说明

根据现场检测，该桥各处拱波上凹底部(见图2)均开裂且裂缝纵向贯通(在我们所检测加固的双曲拱桥中，拱波上凹底部纵向贯通裂缝是一种非常普遍的病害，几乎可以说是双曲拱桥的通病)，因此主拱圈可考虑为由5根拱肋(单根形状见图3)相互铰接而成，并采用计算荷载横向分布系数的方法来确定单根肋的受力情况，建模时选取荷载横向分布系数最大的一根肋进行计算。计算分析按以下要求进行:

图2 原桥横截面

1)计算分析荷载采用公路—Ⅱ级车道荷载进行验算;

2)计算分析时考虑温度影响，按均匀温升20℃、均匀温降20℃分别计入;

3)侧墙、填料及桥面系等重量，采用梯形分布荷载施加在模型上;

4)计算分析时依据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61—2005)第5.1.1条对主拱圈各截面弯矩进行了折减。

2.2.2 结构计算模型

计算分析采用桥梁有限元计算软件桥梁博士进行计算，全桥共划分29个单元、30个节点，计算模型如图3。

图3 清安桥有限元计算模型

2.2.3 结构计算结果

根据交通部《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》(1988)的有关旧桥检算承载能力的提高或折减的有关规定，荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应。

由于篇幅有限，这里仅列出了承载能力极限状态下拱脚截面的计算结果，结构抗力均按规定进行了折减，由于有连拱作用，拱圈的内力在全拱圈分布并不完全对称，因此分别列出了靠近桥台的拱脚与靠近桥墩的拱脚截面的计算结果(见表1)。

表1 加固前第一跨拱脚强度计算结果

计算结果表明拱脚截面强度不能满足04桥规［3］公路Ⅱ级荷载等级要求，须进行加固。

2.2.4 填芯法加固的有限元分析

用填芯法加固主拱圈，由于填芯混凝土与锚筋的作用，使原有拱圈与后加混凝土部分在锚筋的作用下形成了一个板拱的形式，同时，加固时桥面使用整块的无黏结预应力混凝土桥面板(板内横向张拉预应力)进一步增强拱圈受力的整体性(参见图6)。根据《公路圬工桥涵设计规范》第5.1.3条的要求，计算时须考虑活载均匀分布于拱圈全宽，因此加固后主拱圈按整体计算(见图4)。

填芯法加固在时间上还需考虑混凝土收缩徐变的影响，因填芯部分混凝土是在原桥建成几十年之后才添加上去的。桥梁博士里面对于收缩徐变的模拟是通过延长施工阶段的时间来实现的，而填芯法加固过程可以通过桥梁博士里面的“附加截面”来实现，填芯混凝土作为原桥各单元的附加截面，从添加到参与受力需要下述三个施工阶段，用以模拟填芯法加固:

1)第一个施工阶段是原桥建成后时间的增加，约为30～40年，用以模拟原桥建成至今的收缩徐变天数;

2)第二个施工阶段为“计入自重阶段”，填芯混凝土的自重以荷载的方式作用于原主拱圈，但并不参与受力;

3)第三个施工阶段为“参与受力阶段”，填芯混凝土在该阶段达到设计强度后做为主拱圈的一部分参与受力。

图4 清安桥加固后有限元计算模型

加固后的计算结果如表2所示，可见原先不能满足要求的拱脚截面，其结构抗力在加固后大大提高。

表2 加固后第一跨拱脚强度计算结果

2.3 加固方案的实施

本桥根据现场检测评估报告及有限元计算分析比较结果确定了以下加固方案，并随后实施。

1)拱肋“填芯”混凝土加大了拱肋截面，并对原桥增配钢筋，提高主拱圈承载能力及受力的整体性。为了保证施工质量，确保新老结构共同作用，填芯混凝土采用自密实微膨胀混凝土，并在原拱波表面凿毛和植筋以增加新老结构的黏结。见图5。

2)拱上建筑不变，拱上填土不动，只凿除桥面系，新铺钢筋混凝土垫层，加无黏结预应力桥面板(板内横向张拉)悬挑人行道系，使汽车荷载横向分布效应更加均匀，增强拱桥受力的整体性［4］。

图5 用填芯法加固后的立面及横截面

2.4 相同的案例

四川凉山州的庆恒桥为1×30 m的空腹式双曲拱桥。横向由5片拱肋组成，拱肋间设置9根小横梁连接，桥面净宽6.0 m。竹核桥位于凉山州昭觉县乌金路上，桥梁形式为2孔15 m空腹式双曲拱桥。桥宽组合为2×0.35+1×7.00(m)。

两桥用填芯法加固后的横截面如图6、图7。

图6 庆恒桥加固后横截面

图7 竹核桥加固后横截面

3 结语

填芯法针对双曲拱桥横截面横向联系差，整体性差，受力复杂的缺点，用混凝土填充拱圈截面，使其主拱圈形成一个钢筋混凝土板拱，既增大了截面面积，又提高了双曲拱桥的承载能力;同时无黏结预应力混凝土桥面板的应用也增加了拱桥受力的整体性，当汽车荷载作用在桥面上时，通过桥面板传下的荷载均匀地分布到全截面的拱圈，使整个拱圈整体受力，荷载横向分布均匀。

在经济效益方面，仅改造了主拱圈和桥面系，侧墙和拱上填土不动，实腹的依然是实腹拱，空腹的依然是空腹，在经济上节约了拆除的费用，同时也便于施工。

文中的桥梁采用了填芯加固法，且工程已得到实施，目前桥面交通运行良好。

［1］顾安邦.拱桥设计计算手册［M］.北京:人民交通出版社，1964.

［2］交通部第二公路勘察设计院.公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)［S］.北京:人民交通出版社，1988.

［3］中华人民共和国交通部.JTG D61—2004公路圬工桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］高岩，王迎军.加强整体化层对 T梁受力影响的试验评估［J］.铁道建筑，2009(3):63 －65.

［5］贺栓海，谢仁物.公路桥梁荷载横向分布计算方法［M］.北京:人民交通出版社，1996.