波纹钢-混凝土组合结构在圬工拱桥加固中的应用研究.pdf

2023Earthquake Resistant Engineeringand RetrofittingVol.45,No.3Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.220232023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.020文章编号1002-8412(2023)03-0159-07D01:10.16226/j.issn,1002-84波纹钢一混凝土组合结构在工拱桥加固中的应用研究何欣，武飞，刘保东，武亦彬，井立江（1.广西大浦高速公路有限公司，广西钦州53540 0;2.北京交通大学土木与建筑工程学院，北京10 0 0 44；3.衡水益通管业股份有限公司，河北衡水0 5340 0）提要依托一座5跨坛工拱桥，在考虑原拱桥的二次受力以及界面接触属性的基础上，利用ABAQUS研究采用波纹钢-混凝土组合结构加固的坛工拱桥力学性能的变化。结果表明：加固后混凝土为主要受力构件，波纹钢和原拱圈的内力相当；车辆荷载作用下拱顶轴力降低8 5.7%，挠度降低7 9.5%；加固后关键截面应力均小于规范限制，达到了预期的加固效果。此外，施工过程中波纹钢板可作为混凝土的浇筑模板，施工便捷，工期明显缩短。本文可为现有工拱桥加固提供设计参考和工程借鉴。【关键词】工拱桥加固；波纹钢板；有限元模拟；加固方案中图分类号 U445.7*2文献标识码1AResearch on the application of corrugated steel-concrete composite structure in strengtheningmasonry arch bridgeHe Xin,Wu Fei?,Liu Bao-dong,Wu Yi-bin,Jing Li-jiang(1.Guangxi Dapu Highway Co.Ltd,Qinzhou 535400,China;2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China;3.Hengshui Yitong Pipe Industry Co.Ltd,Hengshui 053400,China)Abstract:Based on a five-span masonry arch bridge strengthened by corrugated steel concrete composite structure,finite elementmodels are established by using ABAQUS,which considers the initial internal force of the original masonry arch bridge and the interfacecontact properties.These finite element models is used to analyze the changes in mechanical properties of masonry arch bridges beforeand after reinforcement.The results show that the concrete is the main load-bearing member after strengthening,and the internal forceof corrugated steel plates and original arch ring are comparable under vehicle load.The axial force at the vault of the arch ring isreduced by 85.7%,and the deformation is reduced by 79.5%after strengthening under vehicle load.The stresses in the criticalsections after reinforcement are all less than the code limits,and the expected reinforcement effect is achieved.In addition,corrugatedsteel plates can be used as concrete casting forms during the construction process,which is convenient and the construction period issignificantly shortened.This paper can provide design reference and engineering reference for the strengthening of existing masonry archbridges.Keywords:strengthening masonry arch bridge;corrugated steel plate;finite element model;reinforcement solutionE-mail:1引言工拱桥由于具有造价低廉、坚固耐久、施工技术简单、造型优美、就地取材等优势，在西南山区得收稿日期2022-07-23基金项目广西大塘至浦北高速公路项目“大跨径波纹钢拱涵受力性能及减载技术研究”（C21L00110）到广泛应用。据统计，截至2 0 世纪8 0 年代，我国已建成的坛工拱桥达40 0 多万座。2 0 世纪之前经济和技术条件落后，汽车的荷载等级大部分在汽车-20级以下，随着时间的推移，交通量不断增加，重载车辆不断增多，车辆荷载等级提升至公路I级或II级，加之桥梁常年受到风雨雪侵蚀，缺少必要的养Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023.160.工程抗震与加固改造2023年6 月护和维修，结构出现老化和损伤等问题，使很多坛工拱桥面临改造加固的局面。现有坛工拱桥的加固方法有：钢筋混凝土复合拱圈加固法1、钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固法2】、粘钢加固法3、减轻拱上建筑重量法4、改变结构体系加固法、体外预应力加固法5、碳纤维棒喷浆加固法6 、波纹钢-混凝土组合结构加固法7 。钢筋混凝土复合拱圈加固法和钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固法又称增大截面法，需要凿毛、植筋、搭设模板等工程步骤，施工复杂，成本较高。粘钢加固法成本较低，但通常加固后结构的承载力增长有限。减轻拱上建筑法和改变结构体系加固法通常需要对拱上的建筑重新进行布置，设计和施工过程中需要确保压力线和原桥保持一致，同时需要对结构的施工过程中的受力变化进行精确计算，设计难度较大，且须中断交通。波纹钢-混凝土组合结构加固法通过在原结构内部安装波纹钢板并在波纹钢板和原结构之间浇筑混凝土来对墩台和拱圈进行整体加固。施工过程中波纹钢可以作为浇筑混凝土的模板，可以大幅节约搭设模板的时间，同时由于波纹钢板的面外支撑作用，加固后结构的延性也将得到明显的提升。波纹钢板加固由于以上优势，在小跨径桥涵和市政排水的加固工程中得到广泛的应用8-10)，但石拱桥波纹钢加固的工程案例较少，且少有文献对波纹钢-混凝土组合结构加固的坛工拱桥的力学性能进行报道，故本文以波纹钢-混凝土组合结构加固的5跨工拱桥为依托，系统介绍波纹钢板加固石拱桥的实施过程，并利用有限元模型在考虑原拱桥二次受力状态和新旧结构相互作用的基础上，对加固前后结构的受力性能进行研究，以期为类似工程的设计和施工提供依据。2工程概况和加固方案2.1工程概况本文依托工程为一座5跨空腹式工拱桥（见图1），位于云南省丽江市松坪族乡五郎河东岸。该桥全长50 m，单孔净跨径为8 m，净矢高为2m，矢跨比为1：4，桥面宽度5.5m，两侧各设置0.3m宽护栏。主拱圈和腹拱圈采用块石砌体结构，根据回弹仪实测结果，块石强度等级为MU30，砂浆强度等级为M7.5，主拱圈上方填筑碎石土。下部结构为用块石砌筑的重力式墩台和扩大基础，砌体材料和砂浆等级同主拱圈相同。该桥经过多年的使用，已在主拱圈处产生多条沿桥梁纵向的横向受力裂缝，降低了桥梁的使用性能，严重影响了桥梁的安全性，呕需改造加固。927800800450124011240450(a)加固前桥型布置图(b)实物图图1加固前的坛工拱桥（单位：cm）Fig.1Masonry arch bridge before strengthening(unit:cm)2.2加固方案项目采用跨径7.5m、矢高3m的拼装式波纹钢板对主拱圈加固，采用直径1m的整体式波纹钢管对腹拱圈加固。加固主拱圈的波纹钢板的波形参数为38 1mm140mm6mm（波长波高板厚），加固腹拱圈的波纹钢管的波形参数为2 0 0 mm55mm5mm，两者均为Q235钢材。拱圈与波纹钢之间的空隙采用C30自密实混凝土填筑，加固设计方案如图2 所示。波纹钢-混凝土组合结构加固坛工拱桥的施工流程为：桥墩（台）上植筋绑扎拱脚以下的钢筋一新增钢筋与植入的钢筋焊接一灌浆法对裂缝进行压Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.32023.161何欣，等：波纹钢一混凝土组结构在工拱桥加固中的应用研究第45卷第3期浆填充，在其表面涂刷环氧浆液一浇筑波纹钢基础至基础顶面设计高程以下2 0 mm在主拱圈周边搭设安装平台一在安装平台上安装一定宽度的波纹钢拱圈一利用倒链将部分波纹钢拱圈拉伸入原拱圈内部重复以上步骤安装剩余的波纹钢板在角钢底面螺栓孔位置植入化学锚栓并植入护脚内部的钢筋浇筑护脚一拱圈与波纹钢板之间的空隙填筑C30自密实混凝土。基础、波纹钢安装及护脚的施工工艺如图3所示，加固现场照片如图4所示。植筋间距应依据公路桥梁加固施工技术规范（JTG/TJ23-2008）【11 确定，确保波纹钢拱脚以下新旧混凝土结合牢固。原拱桥附拱圈C30直密实混凝土填充置轻m的波纹钢管清洗、植筋750881图2加固方案（cm）Fig.2Strengthening solution(cm)植护脚钢筋固定拱脚施工护脚124学螺栓边拼装M24高波纹钢边顶进强螺栓中2 0 钢筋角钢顶进中滚动植筋、浇筑基础混凝土植虹12 钢筋A工原桥墩图3基础、波纹钢安装及护脚施工工艺Fig.3Construction technology of foundation,corrugatedsteel installation and foot protection3有限元分析3.1模型假定及建模方法本文假定加固前原拱桥承受其自重荷载，加固过程中波纹钢板和原拱桥共同承担施工过程的荷载，加固完成后原拱桥、波纹钢板、填充的混凝土共同承担车辆荷载。加固拱桥的过程存在多个步骤，难以进行精确模拟，故本文不再关注加固过程中结构的受力状态。原拱桥的初始的受力状态将对加固后结构的响应产生影响，所以本文通过施加初始应力场的方法对前一阶段结构的受力状态进行模拟，具体的建模方法如图5所示3.2数值分析模型介绍建立半结构有限元模型（见图6），墩台、拱圈、填料采用C3D8R单元进行模拟，波纹钢板采用S4R单元进行模拟。墩台底部采用固定约束，约束桥台及桥台以上填土的顺桥向位移，中间跨拱顶位置的拱圈、波纹钢、混凝土及以上的填施加顺桥向的对称约束。块石砌体材料、C30混凝土、波纹钢板材料参数取值分别参考公路亏工桥涵设计规范（JTG061-2005【12 、混凝土设计规范（GB50010-2010）【13】钢结构设计规范（GB50017-2017）【14中的相关规定,拱上填料的材料特性值参考文献15中的取值，具体材料特性值如表1所示。波纹钢板采用双折线本构，填料采用摩尔-伦本构，C30混凝土采用塑性损伤本构，块石砌体采用弹性本构。(a)波纹钢板拼装(b)混凝土浇筑过程(c)加固后图4加固过程Fig.4ReinforcementprocessJun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting1622023年6 月工程抗震与加固改造ABAQUS中能导人部件的初始应力但不能导人部件间的相互作用力，因此拱圈、翼墙与填料之间难以施加相互作用，为模拟在重力和车辆荷载作用下翼墙与填料之间的竖向滑动，在填料和翼墙之间设置一层厚度5cm的“零弹模的单元”，拱圈与填料之Stepl：钝化新增构件，并施加原拱桥自重的标准值Step2：激活新增构件初始模型Step3：添加部件间的相互作用，将原拱桥自重更改为设计值，并添加新增构件自重复制设计值和车辆荷载设计值将Step1更改为地应力平衡分析步，荷载不变；平衡位移模型Step1中定义预定义场，将初始模型Step1计算出的原构件应力导入，平衡位移Step1位移是是停止否小于10 6查复制上一平衡位移模型，将上一模型Step1应力结果作为内力导入图5建模流程图Fig.5ModelingProcess间共节点。忽略波纹钢与混凝土之间的粘结力，波纹钢与混凝土的摩擦系数取为0.2 516 。同样忽略混凝土与拱圈之间的粘结力，拱圈与混凝土的摩擦系数取0.6 17 。模型的荷载主要包括结构自重荷载和汽车荷载，原桥为四级公路，汽车荷载等级为公路-级。模型中分析了自重和车辆荷载（荷载布置见图7)组合作用下结构的响应，自重的荷载组合系数为1.2 和汽车荷载的荷载组合系数1.4，不计汽车荷载冲击力。一约束顺桥向位移一 顺桥向对称边界固定边界图6拱桥加固数值分析模型Fig.6Numerical analysis model forarch bridge strengthening表1数值分析模型中的材料参数Tab.1Material parameters in numerical analysis models材料特性弹性模量（CPa）泊松比密度（kg/m）轴心抗压强度（MPa）轴心/弯曲抗拉强度（MPa）粘聚力(kPa)摩擦角（）膨胀角（）C30混凝土300.2236014.31.43块石砌体5.650.1522002.370.074波纹钢2060.37860填料0.0120.231700144.444.430120120140140?31.441.851.81.85(a)正视图(b)侧视图图7车辆荷载的布置图（单位：m，k N）Fig.7Layout of vehicle loads(unit:m,kN)3.3有限元模型验证加固前在自重和车辆荷载的共同作用下第二跨拱圈的环向应力和横向的应力如图8 所示，从横桥向应力（S33）来看荷载作用下将导致翼墙和拱圈相交位置出现受拉区，而且此位置破坏模式为通缝，横桥向应力大于块石砌体通缝破坏的弯曲强度设计值，从而出现环向的裂缝。从环向应力（S22）来看仅翼墙下部的拱圈位置由于扭转作用产生一定的环向拉应力，并大于弯曲抗拉强度设计值，但此位置的拉应力将在翼墙和拱圈相交位置出现环向裂缝后得到释放，从而在现场中未发现此位置横桥向的裂缝，其余位置的环向应力均为压应力，并且压应力小于材料的抗压强度设计值，与现场并未发现砂浆受压破坏的现象相符。未加固时第二跨拱圈关键截面的内力如表2 所示，从表2 中可以看出主拱圈的偏心距非常小，且内力小于截面抗力，所以此拱桥加固前满足规范要求，但环向的裂缝给结构带来一定的安全隐患，故采用Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.3.163何欣，等：波纹钢一混凝吉构在工拱桥加固中的应用研究第45卷第3期波纹钢对结构进行加固。S,S33(CSYS-1)S,S22(CSYS-1)(Avg:75%)(Avg:75%)+3.251e+05+5.714e+05+2.640e+05+3.831e+05+2.029e+05+1.948e+05+1.418e+05+6.516e+03+8.065e+04-1.818e+05+1.953e+04-3.701e+05-4.159e+04-5.584e+05-1.027e+05-7.467e+05-1.638e+05-9.349e+05-2.249e+05-1.123e+06-2.860e+05-1312e+06-3.472e+05-1.500e106-4.083e+05-1.688e+06(a)拱圈裂缝图(b)横桥向应力云图(c)环向应力云图图8加固前承载能力极限状态下第二跨拱圈应力图（单位：Pa）Fig.8Second arch ring stress diagram in the limit state of bearing capacity before reinforcement(unit:Pa)表2 加固前第二跨拱圈控制截面内力计算判断Tab.2Internal force in the control section of the second arch ring before reinforcement控制截面轴力(kN)弯矩（kNm）偏心距（cm）偏心距允许值（cm）截面抗力（kN）是否满足拱顶76919.92.60.923587是四分之一10074.00.31.003906是18八分之一118913.31.10.983848拱脚15543020.953712是4计算结果及分析4.1加固效果分析加固前后第二跨拱圈的关键截面在车辆荷载作用下拱圈的内力变化值和变形变化值如表3所示。从表3中可以看出加固后原拱圈的内力和变形显著减小，其中拱顶位置的轴力降低8 5.7%，变形降低79.5%，拱脚位置的轴力降低6 4%。加固后活载作用下关键截面内力变化值如表4所示，从表4中可以看出车辆荷载作用下混凝土填充层承担大部分荷载，其轴力增量在原拱圈轴力增量的4.4倍以上，波纹钢板的轴力增量与原拱圈相当。表3加固前后活载作用下第二跨拱圈关键截面内力和变形值Tab.3Internal force and deformation of critical section of the second arch ring under live load before and afterreinforcement加固前加固后控制截面轴力(kN）弯矩（kNm）挠度（mm）轴力(kN)弯矩（kNm）挠度(mm)拱顶11517.141.5616.47.050.32四分之一23500.9167.61.410.16八分之一2599.310.18117.8-2.50.05拱脚2503.10.01900.570.034.2混凝土填充层和波纹钢计算结果分析加固后第二跨混凝土填充层受力和变形云图如图9 所示，在图7 的车辆荷载作用下第二跨混凝土填充层拱顶中部位置出现凹陷，且左侧拱肩的位置的位移大于右侧拱肩的位置，在此种位移模式下混凝土填充层的内表面（与原拱圈的交界面）出现拱顶中部受压，拱肩中部受压的情况如图9（b)所示，最大环向压应力为1.0 5MPa，最大环向拉应力为0.2 4MPa，均小于C30混凝土材料的设计值。第二跨混凝土填充层与原拱圈之间的压力和层间剪力如图9（c）和图9（d)所示，从图中可以看出由于混凝土填充层跨中中部的内凹使得拱顶位置和拱脚上方位置接触应力较大，而拱肩位置出现环向脱开的现象，没有接触应力。层间剪力与接触压力相对应，但跨中位置和拱脚位置相对滑移较小，所以环向剪力主要集中于跨中两侧，且左侧的摩擦力大于右侧的摩擦力。Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023.164.2023年6 月工程抗震与加固改造表4加固后活载作用下第二跨关键截面内力变化值Tab.4Change in internal force of critical section of second arch ring under live load after reinforcement原拱圈混凝土填充层波纹钢控制截面轴力(kN)弯矩(kNm)轴力(kN)弯矩(kNm)轴力(kN)弯矩(kNm)拱顶16.47.0535710.2990.50.68四分之一67.61.414379.5792.51.50八分之一117.8-2.5518.442.495.31.78拱脚900.57697.460.598.31.81U.U2S,S22(CSYS-1)-7.260e-06(Avg:75%)-3.600c-05+2.367e+05-6.474e-05+1.292e+05-9.347e-05+2.172e+04-1.222e-04-8.579e+04-1.510e-04-1.933e+05-1.797c-04-3.008e+05-2.084e-04-4.083e+05-2372c-04-5.158e+05-2.659c-04-6.234e+05-2.946e-04-7.309e+05-3.234e-04-8.384e+05-3.521e-04-9.459e+05-1.053e+06(a)竖向变形(放大50 0 0 倍)(b)环向应力CPRESSASSEMBLY_S_SET-16_CNS/ASSEMBLY_M_SURF-70CSHEAR1ASSEMBLY_S_SET-16_CNS_/ASSEMBLY_M_SURF-70+1.227e+03+2.267e+02+1.125e+03+1.973e+02+1.023e+03+1.679e+02+9.205e+02+1.384e+02+8.182e+02+1.090e+02+7.160e+02+7.955e+01+6.137e+02+5.011e+01+5.114e+02+2.067e+01+4.091e+02-8.771e+00+3.068e+02-3.821e+01+2.046e+02-6.765e+01+1.023e+02-9.709e+01+0.000e+00-1.265e+02(c)与原拱圈的径向压力(d)与原拱圈的环向剪力图9承载能力极限状态下第二跨混凝土填充层受力和变形云图（单位：mm，Pa）Fig.9Force and deformation of the second concrete layer in the limit state of bearing capacity(unit:mm,Pa)加固后第二跨波纹钢板的等效应力云图如图10所示，从图中可以看出波纹钢板的应力较小，最大仅为4MPa，且主要集中于跨中及两侧，与混凝土变形的极值点相对应。S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(Avg:75%)+4.220e+06+3.885e+06+3.551e+06+3.216e+06+2.881e+06+2.547e+06+2.212e+06+1.877e+06+1.543e+06+1.208e+06+8.732e+05+5.386e+05+2.039e+05图10波纹钢板等效应力云图（Pa）Fig.10Corrugated steel plateequivalentstress diagram(Pa)5结语本文在考虑原拱桥的二次受力以及界面接触属性的基础上，利用有限元软件ABAQUS分析了加固前后拱桥受力性能的变化，得出以下主要结论：（1）利用施加初始应力场的方法可有效模拟原拱桥的二次受力状态以及原拱桥、混凝土填充层、波纹钢板之间的相互作用。（2）加固后的桥梁各部分的应力均小于规范的限值，且有较大的安全储备。加固后混凝土填充层为主要受力构件，波纹钢和原拱圈的受力相当。（3）加固后在车辆荷载作用下拱圈拱顶位置的轴力降低8 5.7%，变形降低7 9.5%。（4）施工过程中波纹钢板可作为混凝土的浇筑模板，可显著降低施工难度，提高施工速度。参考文献(References)：1乔文靖.复合拱圈加固坛工拱桥模型试验及工程应用研究D.西安：长安大学，2 0 14Qiao Wen-jing.Study on model test and engineeringapplication of masonry arch-bridge reinforced withcomposite arch circle D.Xian:Changan University,2014(in Chinese)2 潘会滨.钢筋混凝土套箍封闭主拱圈加固石拱桥研2023Vol.45,No.3Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting?165.何欣，等：波纹钢-混凝土组合结构在工拱桥加固中的应用研究第45卷第3期究J.北方交通，2 0 14,37(9）：2 4-2 7Pan 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9 6-），男，博士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程