基于增大截面法的钢桁架桥塔加固力学分析*

李士龙， 林伟， 苟勇， 齐林， 殷新锋

(1.长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114；2.四川公路桥梁建设集团有限公司 桥梁公司，

随着钢结构的老化锈蚀、交通量的不断增加，加上旧桥本身设计荷载偏低，许多桥梁的承载能力已不能满足现代交通的需求，对旧桥的维修、改建、加固显得极为迫切和必要。现有桥梁加固方法有桥面补强层加固法、增大截面法、粘贴钢板加固法、结构受力体系加固法、体外预应力加固法、减轻自重加固法，需针对不同病害选择合适的加固方法。该文依据某双塔钢桁架桥的病害特点，采用增大截面法进行加固并进行受力分析。

1 工程概况及加固方法

1.1 工程概况

某双塔钢桁架桥总长550 m，跨径布置为130 m+290 m+130 m，塔高60 m，塔顶横梁宽11.4 m，塔底宽15.8 m，塔柱为1.2 m方形截面。2个塔座底部配有转盘，在船只通过时可旋转开启，主跨跨中处闭合时采用铰接。下部结构采用桩柱式桥墩、钻孔灌注桩(见图1)。经现场检验，该桥已不能满足现有交通负荷，且部分构件由于保护不当存在不同程度的锈蚀损害，急需进行加固改造。

图1 某钢桁架桥侧面图(单位：m)

桥梁主结构采用S355级钢材，密度为7 850 kg/m3，杨氏模量为2.1×1011Pa,泊松比为0.3，膨胀系数为1.2×10-5℃-1。桥梁桩基采用C30砼,砼容重为26 kN/m3。

1.2 加固方法原则及初步比选

加固设计中要综合考虑加固方案的耐久性、技术可行性、施工便利性、经济性及不影响原桥的使用。在提高桥梁整体承载能力和局部构件强度时，修复桥梁结构构件或加大桥梁结构是常用的补强加固措施，加固时要尽量不改动桥梁的原有结构形式。目前钢结构桥梁常用加固方法有预应力加固法、粘贴纤维加固法、粘贴钢板加固法和增大截面法。

(1) 预应力加固法是在待加固构件上粘贴预应力钢撑杆或刚拉杆进行加固，在梁柱结构加固中应用较多。该桥桥塔是大型承压构件，该方法不适合该桥的加固。

(2) 粘贴纤维法是在待加固区域粘贴纤维增强复合材料进行加固，在各种受力构件中应用较多。其优点是施工方便、高强高效、对桥梁结构及外观影响较小、耐久性和耐腐蚀性好，缺点是耐火性与耐高温性较差、弹性模量小、材料延展性较差、容易产生脆性破坏。该桥所在地区气温较高，光照充足，属于热带沙漠气候，对纤维的性能及耐久性影响较大，不适宜采用粘贴纤维法加固。

(3) 粘贴钢板法通过在构件承载能力不足的区域粘贴钢板提高部件的抗剪、抗弯、抗压、抗拉等性能，适用于外观规则构件的小构件加固，同时对加固胶的性能要求较高，且耐久性一般。该桥属于大型钢结构，加固时要综合考虑加固效果和耐久性，该方法也不合适。

经综合比较，采用增大截面法即焊接C形槽钢的方法进行加固。使用该方法首先要注意新增部分与原有部分的结合受力，新增部分的受力变形要在允许范围内；其次要考虑新增构件与旧构件共同受力的耐久性。

2 加固方法与模型建立

2.1 加固措施

该钢桁架桥包括西岸和东岸两部分，其中西岸需加固修复的部分及难度比东岸大，需全面考量加固方式及加固效果，故以西岸为研究对象。加固方法：对桥塔4个塔柱内侧增加C形槽钢，对塔底桥面板两侧纵梁内侧也进行C形槽钢加固，为使C形槽钢与原有塔柱共同工作，对加固处进行焊接处理。桥塔上部构件加固设计见图2，塔底桥面板加固设计见图3。

图2 桥塔上部构件加固设计(单位：mm)

图3 塔底桥面板加固设计(单位：mm)

2.2 有限元建模

根据该桥的结构形式和受力特点，采用有限元软件ABAQUS建立桥塔模型，对加固前桥塔和采用增大截面法加固后桥塔进行对比分析。由于桥塔结构装配零件众多且尺寸差异较大，为不影响有限元网格质量，在不影响结果的前提下对其细部连接构件进行简化处理。加固前桥塔有155 672个单元、312 976个节点，加固后桥塔有295 460个单元、576 180个节点。塔柱壁厚和塔底边纵梁及加固的C形槽钢为变截面，采用实体单元模拟，单元类型为C3D8R(八结点线性六面体单元)；桥塔其余部分为等截面形式，在满足精度的条件下，为节省计算时间，采用梁单元模拟，单元类型为B31(两结点空间线性梁单元)。梁单元和实体单元采用耦合连接。加固的C形槽钢与原桥塔柱和塔底两侧纵梁采用绑定连接模拟共同受力。桥塔加固前后模型见图4，挠度和应力观测点布置见图5。

图4 桥塔模型

图5 挠度和应力观测点布置

3 加固效果评定

3.1 分析工况

按最不利原则，考虑2种工况对钢桁架桥塔进行结构受力分析。工况1：在桥梁旋转开启状态下，只考虑自重及二期荷载。此时桥梁不通车，承受的荷载只有桥面板和钢轨重量，二期重量为15.2 kN/m。工况2：在桥梁通车状态，按中国铁路桥涵荷载(TB 10002.1-99)进行标准列车荷载布置。

3.2 加固前后挠度和应力对比

工况1下加固前后桥塔挠度分别见图6、图7，应力分别见图8、图9，挠度、应力对比分别见表1、表2。由表1、表2可知：工况1下，加固后1～5观测点的挠度分别减少1.2、1.9、3.0、2.8、3.0 mm,加固后挠度分别为加固前的67.6%、72.9%、68.4%、74.1%、73.0%，说明增大截面加固能有效降低桥塔变形；加固后1～5观测点的杆件应力分别减少27.998、31.960、25.666、17.523、6.88 3MPa，加固后应力分别为加固前的48.3%、54.4%、64.9%、65.5%、84.5%，杆件应力降低显著，桥塔承载力提高。

图6 工况1下加固前桥塔挠度(单位：m)

图7 工况1下加固后桥塔挠度(单位：m)

图8 工况1下加固前桥塔应力(单位：Pa)

图9 工况1下加固后桥塔应力(单位：Pa)

表1 工况1下加固前后观测点挠度对比

表2 工况1下加固前后观测点应力对比

工况2下加固前后挠度分别见图10、图11，应力分别见图12、图13，挠度、应力对比分别见表3、表4。由表3、表4可知：工况2下，加固后1～5观测点的挠度分别减少2.9、5.4、7.6、8.9、10.7 mm,加固后挠度分别为加固前的69.8%、70.5%、69.4%、69.7%、66.0%，增大截面法有效降低了桥塔变形；加固后1～5观测点的杆件应力分别比加固前减少88.297、79.735、62.645、89.285、110.398 MPa,加固后杆件应力分别为加固前的43.7%、56.1%、68.2%、52.0%、91.4%，说明采用截面增大法加固桥塔对桥塔承载力的提高效果较好。

图10 工况2下加固前桥塔挠度(单位：m)

图11 工况2下加固后桥塔挠度(单位：m)

图12 工况2下加固前桥塔应力(单位：Pa)

图13 工况2下加固后桥塔应力(单位：Pa)

表3 工况2下加固前后观测点挠度对比

表4 工况2下加固前后观测点应力对比

3.3 跨中最大挠度对比

采用MIDAS/Civil建立半桥模型，对比分析工况1、工况2下加固前后跨中最大位移,评价加固效果。工况1下加固前后跨中最大位移分别见图14、图15，工况2下加固前后跨中最大位移分别见图16、见图17，跨中最大位移对比见表5。

表5 两工况下加固前后跨中挠度对比

图14 工况1下加固前跨中最大位移(单位：mm)

图15 工况1下加固后跨中最大位移(单位：mm)

图16 工况2下加固前跨中最大位移(单位：mm)

图17 工况2下加固后跨中最大位移(单位：mm)

4 结论

(1) 增大截面法可有效增大桥塔刚度，减小挠度变形，提高桥梁结构受力性能及安全性。

(2) 通过增大桥塔截面，能减少桥梁跨中变形，工况1下跨中挠度加固后为加固前的84.1%,工况2下跨中挠度加固后为加固前的78.3%，增大截面加固法对减小桥梁跨中挠度有较好的效果。

(3) 增大截面法加固该钢桁架桥塔的效果较好，该方法用于这类桥型加固可行、适用。