上承式拱桥新型加固改造方法及试验验证

谢肖礼　李院腾　庞木林

摘要：早期的上承式拱橋受限于设计荷载等级偏低、维护养护不到位和已运营多年等，其力学性能已不能满足现代交通需求，针对这一问题本文提出了一种新型的加固改造方法，即在拱肋与主梁间增设V杆、桥面上安装桁片，使以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系。为评估该方法的加固效果，以某50 m上承式拱桥为研究对象，运用有限元手段对比分析加固前后的力学性能。为进一步验证新加固改造法对提高原结构力学性能的有效性，完成10 m试验桥的荷载试验并对比分析结果。两种结果均表明：新型加固改造方法可以大幅提高桥梁承载力与刚度。对实桥进行有限元分析时，加固改造后拱脚和跨中最大压应力分别减小2.9、2.3 MPa，主梁最大上、下挠分别减小35.08%、27.42%；对试验桥进行静载加载时，加固改造后拱肋上缘与下缘最大应力分别减小82.68%、78.14%，拱肋最大上、下挠值分别减小97.47%、90.30%。故该加固改造方法积极有效，可尽早应用于工程实际。

关键词：桥梁工程；加固改造；桥梁结构体系；荷载试验；有限元

中图分类号：U441.3文献标志码：A文献标识码

A new reinforcement and reconstruction method and experimental verification for deck arch bridge

XIE  Xiaoli，LI  Yuanteng，PANG  Mulin*

（College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

Abstract： Due to the low design load level，inadequate maintenance and maintenance，and many years of operation，the mechanical properties of the early deck arch bridge can not satisfy the modern traffic requirements.To solve this problem，a new method of bridge reinforcement and reconstruction is proposed in this paper.By adding V-bars between arch ribs and main girder and installing trusses on the bridge deck，the traditional stress system with arch rib as the main load-bearing component is transformed into the overall stress system with double-layer truss.In order to evaluate the reinforcement effect of this method，the finite element analysis method was used to contrast and analyze the mechanical performances of a 50 m deck arch bridge before and after reinforcement.In order to further verify the effectiveness of the new reinforcement method in improving the mechanical properties of the original structure，the load test of 10 m test bridge was complete to analyze structure mechanical performances.The results indicate that the new reinforcement method can greatly improve the bearing capacity and stiffness of bridges.In the finite element analysis of the real bridge，the maximum compressive stresses at the arch foot and mid-span are reduced by 2.9 MPa and 2.3 MPa respectively，and the maximum up and down deflections of the main beam are reduced by 35.08% and 27.42% respectively.When the test bridge is loaded under static load，the maximum stresses at the upper and lower edges of the arch rib are reduced by 82.68% and 78.14% respectively，and the maximum up and down deflections of arch rib are reduced by 97.47% and 90.30% respectively.Therefore，this method is active and effective and should be applied to engineering practice as soon as possible.

Key words： bridge engineering;reinforcement and reconstruction;bridge structure system;load test;finite element

尽管现代桥梁涌现出了各种各样的结构形式，拱桥仍具有很强的竞争力。拱橋在我国历史悠久，据不完全统计，拱桥在全国桥梁中占比达六成以上，在我国西部地区更是超过八成［1］，其中上承式拱桥跨越能力强、整体刚度大，且能利用地质条件修建基础，经济性好，同时具备着可适用于各种地理环境下的成熟的施工工艺，所以在桥梁工程中往往作为首选桥型［2-3］。然而，20世纪末在我国建造的上承式拱桥，因受限于最初的设计与施工技术不够完善成熟、维修养护不到位、车辆超载严重，出现了构件承载力不足、刚度下降等问题，已逐渐成为现代交通发展的“瓶颈”。对这些已出现安全隐患的旧桥，若一味选择拆除重建，不仅在资金方面开支不菲，而且由于长时间中断交通所造成的社会和经济影响也难以估量。国内工程经验表明，旧桥在加固改造过程中投入的资本成本仅占新建桥梁施工投入资金成本的20%～30%，若通过加固改造，恢复并提高旧桥的承载能力，使其继续在交通运输行业安全运营，则不仅符合资源可持续发展的需求，更可以给国家带来巨大的社会、经济效益［4］。

目前，国内针对上承式拱桥的加固方法主要有增大截面法［5-7］、粘贴碳纤维法［8-10］、粘贴钢板法［11-13］、钢筋砼套箍封闭主拱圈法［14-16］、改变结构体系法［17-19］等，前4种方法虽然能在一定程度上提高结构的力学性能，但存在施工困难、自重增大、经济性较差等缺点。改变结构体系法是通过改变拱桥结构受力体系，达到结构内力重新分布、提高桥梁承载能力的目的，但是现有的方法一般仅将实腹拱桥的实腹段换成轻质材料，或改变拱上建筑以减小桥梁恒载和拱圈压应力，如20世纪70年代建成的福建省罗源县关五里大桥和江西修水—武宁公路走马岗大桥。可见，传统的改变结构体系加固法仅能减小拱上荷载，实际上拱圈仍为主要承重构件，因此加固后桥梁的各项力学性能指标提高不大。

为了对现有上承式拱桥进行科学的加固改造，使其力学性能得到有效提高，本文提出一种新方法，即在拱肋与主梁间增设V杆、桥面上安装桁片，使以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系，先介绍该方法的力学原理，再通过有限元软件对比研究加固改造前后拱桥的力学性能，最后利用跨径为10m的试验桥进行荷载试验对研究和计算加以验证。

1 新型加固改造方法力学原理分析

与现有的改变结构受力体系加固法不同，上承式拱桥新型加固改造方法包含了以下力学原理：

（1）在现行的各种桥梁设计规范中，拱肋均作为主要受力构件承担恒载与活载，但是恒载对拱肋产生的效果为小偏心受压，而活载效应还会出现弯曲、剪切及扭转变形，可见，恒载与活载对拱肋所产生的内力和变形存在差异。上承式拱桥新型加固改造方法通过在拱肋与主梁间增设V杆、桥面上安装桁片，可使拱肋、V杆与主梁形成下桁架，桁片与主梁形成上桁架，从而将以拱肋为主要承重构件的受力体系转变为双层桁架整体受力体系（图1），达到改善结构受力性能的目标。

（2）加固后的拱桥在原来拱桥结构基础上引入三角形理念，三角形由V杆与拱段、梁段构成，其节点对拱肋、主梁均起到很好的约束作用，然而桥梁以承受移动荷载为主，当受移动荷载作用时三角形结构处于受非节点力状态，其稳定性会有所降低，因此，在进行加固改造时，保留原拱桥的立柱使其对主梁起到弹性约束作用，从而使三角形的稳定性能够得到有效保持。

（3）主梁作为上、下桁架的共用弦杆，依据桁架的受力原理可知，在荷载作用下，下弦杆参与受力时其受拉，上弦杆参与受力时其受压，所以主梁内会产生力的对冲效应，使主梁内力明显减小，从而减少材料用量。

2 新型加固改造方法有限元分析

以某国道干线上的一座跨径为50m的实桥为例，采用本文提出的新型加固改造方法进行改造，通过有限元软件分析其加固改造前后的力学性能。

2.1 实桥结构布置

本桥为上承式拱桥，桥跨l=50m，矢高f=6.25m，高跨比为1/8。桥面总宽：0.75（护栏）×2+7（行车道）=8.5m。主拱圈为箱型截面，高1.3m，宽7.6m，混凝土强度等级为C40；立柱为实腹圆形截面，直径D=60cm，混凝土强度等级为C30，顺桥向间隔5m布置，横桥向6根；钢筋混凝土桥面板厚35cm，混凝土强度等级为C40，桥面板上为15cm厚沥青混凝土铺装层。原桥按公路—Ⅱ级设计，结构布置如图2所示。

2.2 加固改造方法

在长期处于超负荷状态运营情况下，该桥梁已出现承载力下降、主梁开裂下挠等病害。现采用文章提出的新型加固改造方法对其进行加固改造，具体做法如下：保留原拱肋、立柱、桥台以及拱顶处实腹段，拆除桥面系；架设主梁（格子梁）、安装V杆和桁片，最后浇筑桥面板混凝土、铺设沥青层。由于桥面上安装了桁片，为了满足车道布置要求，将桥面宽增加到9.4m，加固改造完成后的布置如图3所示，各构件的参数及用量见表1，加固改造总用钢量为47.35t，换算成每平米用钢量为100.7kg。

2.3 结构力学性能有限元分析

以建立的有限元模型（图4）对比拱桥加固改造前后的力学性能。

模型的边界条件处理为：拱脚、V杆上下两端、桁片下部固结，桥面系与立柱和桥台间设弹性支撑。

2.3.1 强度分析

由于旧桥要满足如今的交通要求，公路荷载等级应提升为Ⅰ级，为便于比较，进行强度分析时，公路荷载等级统一取Ⅰ级。在荷载组合“1.2×恒载+1.4×活载”作用下，加固改造前后拱脚与跨中截面

位置的应力计算结果（表2）表明：由于加固改造后拱肋作为下桁架的下弦杆，荷载作用时受拉，故拱脚和跨中的最大压应力都降低，分别减小2.9、2.3MPa。

为了确保新增钢结构不发生塑性破坏，根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，在荷载组合“1.2×恒载+1.4×活载+1.05×温度荷载”下对钢结构的应力进行计算，结果（表3）表明：新增钢结构所受的拉、压应力较小，且符合规范要求。

2.3.2 刚度分析

在移动荷载工况下对加固改造前后主梁的挠度进行计算，结果（表4）表明：通过在拱肋与主梁间增设V杆、桥面上安装桁片，使原有的结构体系转变为双层桁架整体受力体系后，结构的刚度得到大大提高，加固改造后的主梁的最大上、下挠分别仅为1.61、3.90mm，较加固改造前分别减小35.08%、27.42%。

2.3.3 动力特性分析

在恒载作用下对加固改造前后结构的动力特性进行分析［22-23］，结构的前五阶振动频率及振型特征描述列于表5，对应的振型模态如图5所示。

可见，加固改造前后结构的振动主要以面内振动为主，但是在同一振型特征下，加固改造后结构的自振频率提高明显，具体而言，发生一阶反对称竖弯时，加固改造前的自振频率为4.6131Hz，加固改造后自振频率提高了31.89%。因此，新型加固改造方法还可用于解决旧桥动力特性较差的问题。

3 上承式拱桥新型加固改造方法试验研究

为了验证新型加固改造方法对提高原结构力学性能的有效性，本研究修建试验桥进行荷载试验，通过静力荷载等效的方法模拟移动荷载在桥面上出现下挠的最不利荷载工况，测试结构的应力、变形等响应，并与有限元计算结果进行对比与分析。

3.1 试验桥布置

试验桥跨径10m，宽1m，矢跨比为1/5，拱轴系数m=2.8，上构为全钢，除桥面板使用Q235外，其余构件均使用Q345。各构件用空间杆件模型模拟，构件参数见表6（其中，V形杆件与桁片占总用钢量的21.74%），实桥以及总体布置分别如图6、图7所示。

主梁通过橡胶支座架设在桥台与立柱上，增设的钢结构与拱肋、主梁的节点处理方式为焊接。由于加固前后的桥位不变，为了更好地进行对比，试验分两步完成，即先进行传统上承式拱桥的荷载试验，然后增设V形杆件与桁片，最后进行加固改造后的荷载试验。

3.2 加载方案设计

利用有限元软件建立试验桥的三维模型，通过移动荷载分析，将加固改造前后的主梁位移包络图（图8）进行对比可知，加固改造前后的挠度最大点分别出现在l/4附近和l/2附近，因此将这两个地方定为加载位置。试验采用水箱加载的方式进行，加载重量为2t，分三级加载，整体卸载，加载时将水箱悬挂于桥面下方，试验现场如图9所示。采用电阻应变片和精密百分表进行应变与挠度的测量。

3.3 应力测试截面与测点布置

从拱肋两拱脚开始，每隔l/8距离选取的位置作为拱肋应力测试截面，其应力测点布置于拱背与拱腹，V杆与桁片的应力测点均布置于杆件中部，应力测试截面示意如图10所示，拱肋位移、现场试验时应力和挠度的测点布置分别如图11、图12所示。

3.4 试验结果分析

本研究试验所测构件及布置的测点数较多，因篇幅所限，故本文仅给出第3级加载下的试验数据，其中，拱肋拱背与拱腹的试验数据取同侧测点中的最大值。加固改造前后拱肋应力的有限元计算值和试验实测值对比见表7与图13；V杆与桁片的试验结果与计算结果离散度分析见表8，应力对比见图14、15。表9列出了拱肋位移的试验实测值与有限元计算值，图16与表9对应。

分析图13至16、表7至9可知：加固改造前后拱肋、V杆、桁片力以及拱肋挠度的试验数据与计算数据较为相符，试验值与计算值的误差绝大多数在±30%以内，仅少数数据误差较大，整体上吻合度较好，考虑到试验桥的跨径较大，施工过程中容易存在偏差，并且有限元软件计算时对边界进行了理想化处理，试验数据的可靠性较高，试验总体上验证了新型加固改造方法的有效性和科学性。

进一步对数据分析可知：加固改造后的拱桥力学性能得到了明显的改善。在第3级加载下，加固改造后拱肋拱背与拱腹最大应力出现在拱脚2、拱脚1截面处，与加固改造前相比，上緣与下缘最大应力分别减小了82.68%、78.14%，且加固改造后拱肋的应力变化更为平缓，受力更合理。对V杆与桁片的应力进行离散度分析，结果（表8）表明：试验值与有限元值吻合度较好；总体上试验值偏大，考虑到施工误差等原因，试验结果仍较为可信。

分析拱肋挠度的数据（表9）可知：加固改造前后拱肋最大上挠值分别为3.56、0.09mm，最大下挠值分别为4.33、0.42mm，加固改造后拱肋最大上挠值减小了97.47%，最大下挠值减小了90.30%，进一步说明加固改造后的拱桥刚度得到大幅度提高。

4 结论

本文提出了一种针对上承式拱桥的新型加固改造方法，以有限元分析与试验桥荷载试验手段验证加固改造效果，主要得出以下结论：

（1）加固改造后结构的承载力得到有效提高。对实桥进行有限元分析时，拱脚和跨中的最大压应力分别减小了2.9、2.3MPa；静载试验中，加固改造后拱肋上缘与下缘最大应力分别减小了82.68%、78.14%。

（2）结构整体刚度得到大幅提高。利用有限元对实桥进行计算时，加固改造后主梁的最大上、下挠分别比加固改造前减小了35.08%、27.42%；静载试验中，加固改造后拱肋最大上挠值减小了97.47%，最大下挠值减小了90.30%。

（3）本文提出的新型加固改造方法是一种科学、有效的旧拱桥加固改造方法，其在提高结构承载能力与刚度方面优势明显，在进行旧、危桥的加固、提载、改造工程中可加以推广应用。

参考文献（References）

［1］陈宝春，刘君平.世界拱桥建设与技术发展综述［J］.交通运输工程学报，2020，20（1）：27-41.

CHEN B C，LIU J P.Review of construction and technology development of arch bridges in the world ［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2020，20（1）：27-41.

［2］ZHENG J L，WANG J J.Concrete-filled steel tube arch bridgesin China［J］.Engineering，2018，4（1）：143-155.

［3］谢肖礼，庞木林，邱辰，等.上承式加V拱桥动力特性研究及试验验证［J］.上海交通大学学报，2021，55（3）：276-289.

XIE X L，PANG M L，QIU C，et al.Research on dynamic characteristics and test verification of deck V-arch bridge ［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2021，55（3）：276-289.

［4］余天庆，蒋永红.拱式桥梁加固技术的研究与应用［J］.世界桥梁，2006（1）：74-76.

YU T Q，JIANG Y H.Research and application of arch bridge strengthening techniques ［J］.World Bridges，2006（1）：74-76.

［5］黄春亮，杜召华，李蓉，等.拱背增大截面法在双曲拱桥加固设计中的应用［J］.工程抗震与加固改造，2019，41（2）：73-79.

HUANG C L，DU Z H，LI R，et al.Application of the method of increasing the arch back section in the reinforcement design of the double-curved arch bridge ［J］.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2019，41（2）：73-79.

［6］张淼，钱永久，张方，等.基于增大截面法的混凝土加固石拱桥空间受力性能试验分析［J］.吉林大学学报（工学版），2020，50（1）：210-215.

ZHANG M，QIAN Y J，ZHANG F，et al.Experimental analysis of the spatial mechanical performance of a concrete-reinforced stone arch bridge based on the method of increasing section ［J］.Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2020，50（1）：210-215.

［7］谢俊武，彭辉.拆与不拆拱上建筑下增大截面法加固双曲拱桥模拟分析［J］.公路与汽运，2019（3）：144-147.

XIE J W，PENG H.Simulation analysis of reinforcing hyperbolic arch bridge by increasing section with or without removing the construction on the arch［J］. Highways & Automotive Applications，2019（3）：144-147.

［8］AL-ROUSAN R，AL-SARAIREH S.Impact of anchored holes technique on behavior of reinforced concrete beams strengthened with different CFRP sheet lengths and widths［J］.Case Studies in Construction Materials，2020，13：e00405.

［9］HUANG J，SHI J，XIAO H H，et al.Stressing state analysis of reinforcement concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced plastic［J］.International Journal of Concrete Structures and Materials，2020，14：38.

［10］RAMACHANDRA M A，KARIHALOO B L，PRIYA D S.Flexural behavior of RC beams retrofitted with ultra-high strength concrete［J］.Construction and Building Materials，2018，175：815-824.

［11］蘇庆田，王思哲，薛智波，等.既有铆接钢桁梁桥拓宽改建时的主桁构件加固设计［J］.桥梁建设，2019，49（4）：75-80.

SU Q T，WANG S Z，XUE Z B，et al.Reinforcement design of main truss members of existing riveted steel truss bridge in a widening and reconstruction project ［J］.Bridge Construction，2019，49（4）：75-80.

［12］杨雪峰.预应力混凝土空心板桥梁加固方法对比分析［J］.中外公路，2019，39（3）：94-96.

YANG X F.Comparison and analysis of reinforcement methods of prestressed concrete hollow slab bridge ［J］.Journal of China & Foreign Highway，2019，39（3）：94-96.

［13］ALAM M A，ONIK S A，MUSTAPHA K N B.Crack based bond strength model of externally bonded steel plate and CFRP laminate to predict debonding failure of shear strengthened RC beams ［J］.Journal of Building Engineering，2020，27：100943.

［14］杨俊，周建庭，程俊，等.基于断裂力学的UHPC复合拱圈加固效率研究［J］.桥梁建设，2018，48（4）：74-78.

YANG J，ZHOU J T，CHENG J，et al.Research on strengthening efficiency of UHPC composite arch ring based on fracture mechanics ［J］.Bridge Construction，2018，48（4）：74-78.

［15］CHEONG H K，ALEVEY N M.Experimental behavior of jacketed reinforced concrete beams［J］.Journal of Structural Engineering，2000，127（6）：692-699.

［16］THERMOU G E，PANTAZOPOULOU S J，ELNASHAI A S.Flexural behavior of brittle RC members rehabilitated with concrete jacketing［J］.Journal of Structural Engineering，2007，133（10）：1373-1384.

［17］路飞，彭程.常见桥梁加固方式的分析比较与应用研究［J］.公路，2013（10）：121-123.

LU F，PENG C.Analysis，comparison and application research of common bridge reinforcement methods ［J］.Highway，2013（10）：121-123.

［18］李欢.改变结构体系加固法在拱桥加固中的应用探究［J］.四川水泥，2016（8）：20.

LI H.Research on application of reinforcement method of changing structure system in arch bridge reinforce ［J］.Sichuan Cement，2016（8）：20.

［19］孙绪杰，王凤来，张厚，等.改变结构体系加固方法的应用［J］.建筑结构，2013，43（14）：87-91.

SUN X J，WANG F L，ZHANG H，et al.Change the application of structural system reinforcement methods ［J］.Building Structure，2013，43（14）：87-91.

［20］林国仁.病害双曲拱桥结构分析与加固设计［J］.公路交通科技（应用技术版），2009，5（2）：55-60.

LIN G R.Structural analysis and reinforcement design of diseased double-curved arch bridge ［J］.Highway Traffic Technology（Applied Technology Edition），2009，5（2）：55-60.

［21］谢来发，谌润水，胡钊芳.改变拱上建筑体系的双曲拱桥加固拓宽技术［J］.公路与汽运，2003（6）：66-68.

XIE L F，CHEN R S，HU Z F.Reinforcement and widening technology of double-curved arch bridge by changing the building system on the arch ［J］.Highways & Automotive Applications，2003（6）：66-68.

［22］吴植安.大跨石拱桥主拱结构动力特性测试与分析［J］.山西建筑，2018，44（36）：145-147.

WU Z A.Test and analysis of dynamic characteristics of main arch structure of stone arch bridge ［J］.Shanxi Architecture，2018，44（36）：145-147.

［23］郑晓龙，徐昕宇，陈列，等.上承式铁路拱桥动力分析与验证［J］.科学技术与工程，2019，19（31）：353-357.

ZHENG X L，XU X Y，CHEN L，et al.Dynamic analysis and verification of deck railway arch bridge ［J］.Science Technology and Engineering，2019，19（31）：353-357.

（責任编辑：编辑张忠）

收稿日期：2021-07-30

基金项目：广西科技计划（桂科AB18126047）

作者简介：谢肖礼（1963—），男，研究员，博士生导师，主要从事桥梁结构新体系研究，e-mail：guxiexiaoli@126.com。

*通信作者：中文通信作者庞木林（1994—），男，博士研究生，研究方向为结构安全性及桥梁结构新体系，e-mail：957604200@qq.com。