两种方法加固双曲拱桥动力特性对比研究

秦阳 蒋国富

摘要：文章以某旧双曲拱桥为工程背景，对该桥提出了两种加固方案，即锚喷混凝土法及变肋拱为箱拱加固法。借助ANSYS软件对该双曲拱桥结构受损前、受损后及两种方法加固后的情况进行了模拟分析，对比研究了两种加固方案加固后的结构动力特性。研究结果表明：（1）双曲拱桥的病害导致结构的整体刚度明显降低，这类桥型面外比面内刚度要弱;（2）锚喷加固法可以提高桥梁的整体刚度，但结构抗扭刚度并没有得到改善;（3）变肋为箱法明显提高桥梁刚度，其自振模态较新旧桥梁及锚喷加固桥梁的模态有了明显的变化，自振频率得到了提高，不仅加强了桥梁的抗扭刚度，同时大大改善了结构的面外刚度。

关键词：双曲拱桥;加固;ANSYS;动力特性分析

0 引言

桥梁结构的动力特性非常重要，其一般包括了振型、自振频率等，能够反映桥梁的刚度情况。动力特性受到桥梁结构质量分布、边界条件和组成的体系等因素影响，分析桥梁加固前后的动力特性对于评估加固效果十分关键。

目前对双曲拱桥这类桥梁的动力特性研究主要有：施洲等[1]对双曲拱桥的自振特性进行了测试和分析，通过分析结果对加固提出了建议;刘冬等[2]研究了双曲拱桥拓宽后的动力特性，为减震加固和拓宽既有双曲拱桥的设计提供依据;张茜等[3]研究了拱脚开裂对双曲拱桥动力特性的影响。现有研究缺乏对不同加固方法加固双曲拱桥的横向对比。

为此，本文通过研究双曲拱桥加固前后四种状态的固有频率、振型，以得出加固方法的差异对结构动力特性的影响规律。

1 结构自振特性计算理论

由于该双曲拱桥的原有设计荷载偏低，在外部环境、日益增长的交通量和车辆超载等不利因素作用下，该桥存在严重病害，严重影响服役安全，需对其进行加固。根据结构特点，提出了两种加固方法：锚喷混凝土法和变拱肋为箱拱法。

按照桥梁的四种不同状态（新桥状态，旧桥状态，两种方法加固后的状态），采用ANSYS软件建立有限元模型进行结构动力特性分析。建立模型时偏保守考虑结构的安全储备，不考虑拱上建筑，只建立裸拱模型。拱上立柱采用集中荷载的形式施加，拱腔填料及桥面系按线性荷载施加，并将以上两种荷载形式转换成相应的质量单元施加在结构的相应位置，以保证结构质量分布的准确性。计算中采用梁单元模拟整个结构，全桥共分为345个节点，330个单元。边界约束条件为：桥墩及拱脚处均采用固结。桥梁加固后结构的截面形式发生了变化，拱上建筑重量基本保持不变，仅将其作为等代荷载作用在桥梁相应部位，填料、桥面系也以曲线荷载的形式作用在结构上。有限元模型如图2所示。

3.1 模态振形分析

通过计算前六阶模态振型，比较结构不同状态下各阶自振模态，可知新旧桥梁模型前六阶失稳模态振形基本一致，前三阶振形均表现为横向弯扭振动，后三阶表现为竖弯振动。分析其振形特点得出：由于双曲拱桥抗扭刚度的不足，第一阶振形就发生了扭转振动，且前几阶振形均以横向振动为主，直到第四阶才发生竖向振动，表明双曲拱桥的面外刚度弱于面内刚度。

由于结构形式及截面形式基本相同，采用锚喷加固桥梁与新旧桥梁振形基本相同，只是在第三阶就出现竖向振动，表明加固后桥梁的面外刚度得到了一定的加强，但结构抗扭刚度并没有得到改善。采用变肋为箱加固后的桥梁自振模态较上述模态有了明显的变化，一、二阶振形表现为竖弯振动，第三阶才发生横向弯曲振动，且前六阶模态均未发生弯扭耦合振形，表明箱式截面构造不仅加强了桥梁的抗扭刚度，同时大大改善了结构的面外刚度。

3.2 振动频率及振形描述

由表1～4及图3可知，对比结构不同状态下各阶振动频率，由于桥梁的后期近30年的运营使结构产生了一定程度的病害，导致桥梁的整体刚度减弱。从分析结果可以看出，桥梁一阶振动频率由新桥的1.242 7 Hz降低到旧桥的1.039 7 Hz，结构刚度明显降低。

通过维修加固，桥梁的整体刚度得到了提高，加固后的桥梁一阶振动频率分别达到了1.734 9 Hz和1.802 2 Hz。在结构自重保持一定的情况下，结构整体刚度得到了改善。比较两种加固方法对桥梁自振特性的影响，变肋为箱加固法较锚喷加固法结构的自振频率明显偏大，且随着自振阶次的增加，自振频率相差越大。这主要由于箱梁截面刚度大于多片拱肋组合截面刚度，使得全桥刚度得到了加强。

4 结语

本文采用ANSYS软件建立双曲拱桥动力计算模型，对加固前后不同状态的桥梁进行动力计算分析，通过对该桥加固前后的固有频率、振型进行分析，以得出双曲拱桥这类桥型的自振特性和不同的加固方法对结构动力特性的影响规律，得到如下结论：

（1）双曲拱桥的病害降低了结构的整体刚度，前期振形均以横向弯扭振动为主，表明双曲拱橋的面外刚度比面内刚度要弱。

（2）锚喷加固法可以提高桥梁的整体刚度，但结构抗扭刚度并没有得到改善。

（3）变肋为箱法明显提高了桥梁刚度，自振模态较新旧桥梁及锚喷加固桥梁的模态有了明显的变化，自振频率得到了提高，不仅加强了桥梁的抗扭刚度，同时大大改善了结构的面外刚度。

参考文献：

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