基于Midas Civil的既有桥梁加固前后结构验算对比分析

刘涛

（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

桥梁工程作为我国公路交通建设的重要组成部分，承担着重要的运输任务。由于长期经受车辆荷载尤其是重型车辆的反复作用，导致桥梁结构出现破损甚至失稳，亟需对既有桥梁进行加固处理。为此，本文结合杨家渡桥加固工程，采用有限元软件Midas Civil具体分析了桥梁加固前后的结构受力验算，通过对既有桥梁受损结构进行及时拆除和更换，在桥墩盖梁粘贴钢板等加固措施，取得了较好的加固效果，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

杨家渡桥1994 年建成通车，目前已运营27 年。桥梁全长84.04m，桥跨布置为5×16m，每跨7 片空心板梁，梁高0.75m。该桥主梁采用16m 钢筋混凝土空心板梁，主梁结构体系为结构简支、桥面连续。全桥桥面宽度为11.5m，桥面横向布置为：0.25m （护栏） +1.00m （人行道） +9.00m （行车道） +1.00m （人行道）+0.25m（护栏）。下部结构桥墩采用三柱式墩，桩基础采用钻孔灌注桩；桥台采用轻型桥台，桩基础采用钻孔灌注桩。桥面铺装为沥青混凝土铺装，支座形式为板式橡胶支座，伸缩缝为型钢伸缩缝。桥梁设计荷载为公路汽-20，挂-100。

原桥结构受建设年代设计手段及设计理念的局限性制约，杨家渡桥主梁采用16m 钢筋混凝土空心板梁，桥面结构整体受力性较差，目前该桥已不满足原设计承载能力的要求。

2 桥梁技术状况评定

（1）桥梁静载试验偏载试验截面关键挠度测点校验系数介于0.59～0.83 范围内，挠度校验系数均小于1.0，结构刚度满足要求；偏载试验截面关键应力测点校验系数介于0.39～1.29 范围内，5#～7#板梁应力校验系数为1.29，结构强度不满足设计要求；支点截面关键应力测点校验系数介于0.59～0.83 范围内，校验系数均小于1.0，结构刚度满足要求，支点截面主应力测点校验系数介于0.51～0.69 范围内，应力校验系数均小于1.0，结构强度满足要求，支点截面加载下缝宽无明显发展。

（2）桥梁动载试验实测自振频率值略大于计算值，表明结构的整体刚度正常，满足设计要求[1]，一阶自振频率实值为6.641Hz；实测最大冲击系数为0.220（10km/h），计算冲击系数为0.319，实测冲击系数略小，表明正常行驶下动荷载对桥梁结构的冲击较小。

（3）该桥承载能力极限状态下结构检算不满足设计荷载（汽车-20 级、挂车-100）要求，极限状态下结构抗弯、抗剪强度检算不满足规范荷载（公路-I 级）要求；正常使用极限状态下，截面抗裂性满足要求；变形满足正常使用要求。

依据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011），该桥技术状况评定为：总体4 类（59.91），其中：桥面系3 类（60.28）、上部结构4 类（40.30）、下部结构3类（79.34）。

3 原结构设计验算

本文采用有限元软件MIDAS Civil2020 对杨家渡桥原设计结构进行验算，原设计桥面板与桥墩呈30°斜交，横向共7 片空心板，验算时采用梁格法建立模型。桥面铺装、人行道和栏杆自重采用荷载形式施加，梁格模型离散为344 个节点和383 个单元，计算模型如图1所示。

图1 杨家渡桥原设计计算模型

对杨家渡桥原设计进行承载能力极限状态和正常使用极限状态结构验算，见表1。

表1 杨家渡桥原设计承载能力计算结果

经计算，杨家渡桥原设计在承载能力极限状态下，空心板梁抗弯、抗剪承载能力满足规范要求；在正常使用极限状态下，空心板梁裂缝宽度满足规范要求。

4 桥梁现有状态验算

计算模型同小节3，见图1。其承载能力检算系数见表2。

表2 承载能力检算系数

对杨家渡桥现状承载能力极限状态和正常使用极限状态进行结构验算，如表3所示。经计算，杨家渡桥现状在承载能力极限状态下，空心板梁的抗弯、抗剪承载能力均不满足规范要求；在正常使用极限状态下，空心板梁的裂缝宽度满足规范要求。

表3 杨家渡桥现状承载能力计算结果

5 桥梁改造前后恒载变化

杨家渡桥钢筋混凝土空心板梁腹板、底板及桥面铺装等处存在大量的竖向裂缝，底板钢筋锈胀、梁端斜向裂缝、支座脱空、老化开裂等病害。通过对裂缝进行修补，用环氧砂浆对破损的混凝土区域进行修补，对上部结构采取拆除及更换，桥墩盖梁粘贴钢板等措施进行加固[2]。

桥梁改造后，对单跨上部结构恒载变化进行分析，恒载减少约为0.76%，即减少1.928t恒载，如表4所示。

表4 单跨桥梁改造前后恒载变化 单位：kN

6 加固后结构验算

6.1 更换矮T梁结构验算

杨家渡桥换板后，更换后的桥面板与桥墩呈30°斜交，横向共8 片矮T 梁，验算时采用梁格法建立模型。桥面铺装、人行道和栏杆自重采用荷载形式施加，梁格模型离散为420 个节点和434 个单元。对杨家渡桥换板后进行承载能力极限状态和正常使用极限状态结构验算，结果汇总如表5所示。

表5 杨家渡桥换板后承载能力计算结果

表5（续）

经计算，杨家渡桥换板后在承载能力极限状态下，矮T梁抗弯、抗剪承载能力满足规范要求；在正常使用极限状态下，矮T梁拉压应力满足规范要求。

6.2 盖梁结构验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第8.4节，对杨家渡桥盖梁加固后的结构进行验算。通过更换后矮T梁的梁格模型得到各支座反力，计算出盖梁在荷载基本组合下的内力设计值。

经计算，盖梁跨中段截面抗弯承载能力为736.7kN·m，正弯矩设计值为533.8kN·m，安全系数为1.38，满足现行规范要求；盖梁墩顶段截面抗弯承载能力为736.7kN·m，负弯矩设计值为666.2kN·m，安全系数为1.11，满足现行规范要求。

更换上部结构及提升桥梁设计荷载后，盖梁跨中段斜截面抗剪承载能力为915.7kN，剪力设计值为944.6kN，安全系数为0.97，不满足现行规范要求。对盖梁进行U形箍钢板加固后，跨中段斜截面抗剪承载能力为1129.2kN，剪力设计值为944.6kN，安全系数为1.20，满足现行规范要求。

盖梁悬臂端上缘抗拉承载能力为527.5kN，拉杆内力设计值为435.8kN，安全系数为1.21，满足现行规范要求。

6.3 地基承载能力计算

杨家渡桥桩基及土层信息如表6所示。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）第6.3.3节，对支承在土层中的钻（挖）孔灌注桩，其单桩轴向受压承载力特征值Ra可按下列公式计算[3]：

表6 杨家渡桥桩基承载能力计算参数

式（1）～式（2）中：Ra为单桩轴向受压承载力特征值（kN）；u为桩身周长（m）；Ap为桩端截面面积（m）；n为土的层数；li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；qik为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa）；qr为修正后的桩端土承载力特征值（kPa）；fa0为桩端土的承载力特征值（kPa）；h为桩端的埋置深度（m）；k2为承载力特征值的深度修正系数；γ2为桩端以上各土层的加权平均重度（kN/m3）；λ为修正系数；m0为清底系数。

经计算，杨家渡桥桩基竖向作用力合计为7 379.1kN，地基承载能力为10 433.5kN，安全系数为1.41，满足现行规范要求。

7 结语

综上，以杨家渡桥加固项目为例，通过有限元分析软件Midas Civil，分析了该桥加固前后不同状态下的结构受力情况。结果表明，相较于桥梁的现有状况，加固后，桥梁的主要结构承受荷载能力和技术状况有了明显提升，加固效果显著，延长了桥梁的使用寿命。