钢箱加固公路刚架拱桥的有限元分析

冉敬爱，王根会，陈永亮

(1.兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州　730070;2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

近20年来公路客货运输量不断增加，对公路桥梁提供安全、重载行驶的要求越来越高。桥梁是确保公路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力更是沟通全线的关键[1]。当旧桥梁原有的设计标准低，不能满足现有车辆的通行要求时，全部拆除重建既不经济也不现实，因此旧桥维修加固就显得日益重要。目前现有的加固方法很多，比如：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、改变结构体系加固法等[2]。其中，粘贴钢板加固法是可以在保持原有结构体系不变的情况下提高构件承载力，并控制挠度的一种加固方法[3]。

在原有粘贴钢板加固法的基础上延伸出了的一种新型的加固方法——钢箱加固法。与粘贴钢板加固法相比较，钢箱加固具有抗弯扭刚度大、变形小、稳定性好等优点。钢箱加固法在工程加固方法中应用相对较晚，李刚[4]提出了在刚架拱桥实腹段底部粘贴纵向钢板提高承载力和增设横系梁连接为整体的综合加固方案。陈彪[5]以S309线潢水公路桥为背景，分析了钢箱加固法加固桥梁的主要原理，并将其应用于双曲拱桥的加固。

本文以甘肃省S209线一座跨度30 m钢筋混凝土刚架拱桥为背景，提出采用厚度5 mm及10 mm钢板围成的2种钢箱对其加固。为了选择经济合理的加固钢箱，利用ANSYS有限元软件建立加固模型，结合现有规范，通过引入加固效应系数[6]，对比分析了在自重和活载作用下2种钢箱的加固效果。最终提出采用5 mm钢箱对该桥进行加固。

1　工程概况

该桥位于甘肃省S209线定陇(定西市—陇西县)公路，上部结构为一跨度30 m钢筋混凝土刚架拱，横向4片刚架拱片。设计荷载为汽车-20，挂120，断面布置为(1.5+9.0+1.5)m=12.0 m。桥梁实景见图1。

图1　桥梁实景

由于该桥是连接定西市安定区和陇西县的主要通道，并且是定西市马铃薯和陇西县中药材的重要流通渠道，车流量较大，且受超载运营的影响。该刚架拱桥大节点湿接段、大节点拱脚处都出现了不同程度的裂缝，裂缝宽度基本在0.1～0.3 mm内[7-8]。陇西方向第2片斜撑湿接段有裂缝，上缘混凝土破损、掉块，局部钢筋外露。

2　加固过程及有限元模型

2.1　钢箱加固方法

根据对现场桥梁实际状况的调查与分析，结合以往对该类桥的加固经验，提出了采用5,10 mm厚钢板的2种钢箱在刚架拱桥跨中实腹段和主拱腿处进行粘贴加固。

本次加固采用钢箱灌混凝土加固法，5 mm钢箱直接涂胶粘贴，10 mm钢箱采用压力注胶黏结[9]。先将底面钢板与侧面钢板进行焊接，再与外伸的侧面钢板进行焊接，形成箱室，最后根据需要在空箱室内填筑6 cm 厚的混凝土，5 mm钢筋加固如图2所示。

图2　5 mm钢箱加固示意(单位：cm)

2.2　有限元模型建立

本文主要针对采用5，10 mm厚2种不同钢箱对原刚架拱桥加固后的实腹段与主拱腿的挠度、应力进行对比分析，对比选出合理厚度的钢箱。

采用Beam 188单元模拟拱肋、次梁与主次拱腿结构，桥面板用Shell 63单元模拟[10]。主次拱腿与其他构件的连接采用耦合的方式，大小节点与次梁的刚接作用以连接处的全部位移进行耦合。钢箱也采用Shell 63模拟，分析中认为粘贴钢板和既有混凝土通过高新能结构胶层紧密粘贴，满足共同受力要求。

本桥横向4片刚架拱片采用C50混凝土，弹性模量为39.8 GPa，泊松比取0.3，重度为25 kN/m3。钢箱采用Q235B钢，弹性模量210 GPa，泊松比取0.3，重度78.5 kN/m3。荷载考虑恒载以及活载，其中活载按JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中公路Ⅰ级考虑，冲击系数[11]取0.25。

3　加固效果分析

3.1　挠度分析

利用有限元软件ANSYS在施加恒载+活载的条件下进行静力求解，提取刚架拱桥跨中实腹段、斜腿采用不同厚度钢箱加固前后不同截面位置的挠度值，绘于图3(a)和图3(b)。

图3　挠度变化

由图3可以看出，采用不同厚度钢箱对该桥进行加固，跨中实腹段挠度均显著减小。其中，使用5 mm钢箱加固后，跨中实腹段最大挠度减小18.2 mm，斜腿最大挠度减小2.4 mm；采用10 mm 钢箱加固后跨中实腹段最大挠度减小23.4 mm，斜腿最大挠度减小3 mm。

3.2　应力分析

利用有限元软件ANSYS通过施加恒载+活载进行静力求解后，得到刚架拱桥跨中实腹段、斜腿段不同截面位置的应力值，见图4(a)和图4(b)。

图4　应力变化

由图4可知，荷载作用下，5 mm钢箱以及10 mm钢箱加固后跨中实腹段应力以及斜腿段应力均有所减小。其中使用5 mm钢箱加固跨中实腹段应力减小了0.22 MPa，斜腿拉应力减小0.24 MPa，压应力减少0.26 MPa；10 mm钢箱加固后跨中实腹段应力减小了0.26 MPa，斜腿拉应力减小0.25 MPa,压应力减少0.30 MPa。

3.3　理论验算

根据JTG/T J22—2008《公路桥梁加固设计规范》6.2.2节，在矩形截面的受拉面粘贴钢板进行加固时，其正截面承载力按下列公式计算。

(1)

式中：x为混凝土受压区高度；h为原截面高度；αs为受拉区普通的钢筋合力点至受拉区边缘的距离；h0为原构件截面有效高度，h0=h-αs；ξb为相对截面受压区高度，查JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》表5.2.1可得ξb=0.62。

由式(1)可知正截面承载力按下式计算

由式(2)验算可得：用5,10 mm厚钢箱分别加固时均成立。

3.4　效果比较

引入加固效应系数η，其表达式为

(3)

式中：Sr为加固后结构的反应；Sur为未加固时结构的反应。

由此可知加固系数η反映了加固对结构的影响程度。表1为恒载+活载作用下跨中实腹段挠度、应力和斜腿挠度、应力的加固效应系数。

表1　加固效应系数　%

从加固效应系数η可以看出，10 mm厚钢箱加固挠度方面比5 mm厚钢箱加固效果优10.3%，应力方面优6.9%。但经计算可知5 mm厚钢箱加固已经满足要求，从经济、轻型、美观综合考虑选用5 mm厚钢箱加固。

4　结论

1)钢箱加固公路刚架拱桥技术不仅施工方便而且可以有效的提高其承载能力和刚度。该技术可以为以后类似桥梁加固提供借鉴。

2)通过有限元软件ANSYS分析，不管是5 mm厚还是10 mm厚钢箱加固，均可以提高刚架拱桥的承载力和刚度。对截面挠度而言，从加固效应系数可以看出10 mm厚钢箱比5 mm厚钢箱优10.3%，对截面应力而言，10 mm厚钢箱只比5 mm厚钢箱优6.9%。

3)在满足《公路桥梁加固设计规范》的前提下，从经济、轻型、美观综合考虑建议选用5 mm厚钢箱加固。

[1]任伟，贺栓海，赵小星，等.黏贴钢板加固持荷钢筋混凝土T型梁模型试验[J].中国公路学报，2008，21(3)：64-68.

[2]中华人民共和国交通部.JTG/T J22—2008公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社,2008.

[3]王凯，李子春.粘贴钢板技术在留芳沟桥加固中的应用[J].铁道建筑，2009，49(12)：1-3.

[4]李刚.刚架拱桥加固技术的应用研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.

[5]陈彪.钢箱加固法在双曲拱桥加固中的应用研究[J].水利与建筑工程学报，2014,12(1)：45-49.

[6]李小雪,蔺鹏臻.钢板和钢箱加固简支T梁有限元分析[J].工程抗震与加固改造,2015，37(3)：61-65.

[7]兰州交通大学.定西市东坡桥静载测试与检测报告[R].兰州：兰州交通大学，2016.

[8]兰州交通大学.定西市东坡桥维修加固方案设计[Z].兰州：兰州交通大学，2016.

[9]何华.桥梁加固施工中新技术的应用[J].铁道建筑，2008，48(12)：28-30.

[10]李立峰，王连华.ANSYS土木工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2015.

[11]中华人民共和国交通部.JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社,2004.