摘要：為研究內套拱加固拱橋的力學性能，運用ANSYS有限元程序建立了加固計算仿真模型，在考慮二次受力的前提下，分析比較了不同內襯拱厚度加固時控制斷面的極限承載力，并對加固設計中應注意的問題提出了相關建議。

　　關鍵詞：圬工拱橋,內套拱,加固,力學性能,有限元

　　1. 引言

　　拱橋作為中國傳統優勢橋型，在我國的交通建設與發展歷史上發揮著極其重要的作用。隨著服役期限的增加，不少圬工拱橋受到材料風化、超重車輛和自然災害的破壞與影響，逐步變成了舊橋、病橋甚至危橋，已不能滿足交通量日益增長的需要，亟待加固改造。圬工拱橋上部結構常用的加固方法一般有增大拱肋截面、調整拱軸線、改變結構體系、體外預應力、粘貼鋼板(碳纖維)加固技術等[1～2]。內套拱圈加固屬于增大截面加固方法，以其對原有結構的損傷小、加固施工速度快、加固效果好等優點，得到了廣泛的使用。

　　內套拱法加固在作用原理上屬于二次疊合受力的范疇，由新舊拱圈形成的組合結構受力可以分為兩個明確的受力階段，第一階段受力為新澆混凝土與拱圈所形成的組合結構，在新舊拱圈自重產生的應力;第二階段為加固層混凝土達到設計強度以后，組合結構整體工作，在車輛荷載、加固后二期恒載和其他活載作用下承受應力[3]。二次受力結構和一次受力結構計算有較大差異，本文通過ANSYS有限元軟件，分析了考慮二次受力條件下，內套拱法不同加固厚度下結構的力學性能，對加固設計提出了相關思考和建議。

　　2.實橋簡介及加固目的

　　本文以某公路中橋做為計算分析對象，其基本情況為：跨徑為30米的空腹式等截面懸鏈線圬工拱橋，其橋梁全長為47.5米，矢高6米，矢跨比1/5，主拱采用20號混凝土預制塊砌體，拱厚0.75米。橋面凈寬為：凈4.5米(行車道)+2×0.75米(人行道)。重力式橋臺。設計荷載為汽車-15級，于1995年建成。由于該橋經常有重型車從橋上通行，導致橋跨結構出現不同程度的損傷。上部結構主要病害為：主拱圈跨中、四分點產生裂縫，其它位置未發現縱、橫向裂縫。

　　根據目前交通組成，結合荷載試驗及初步計算的結果，采用增大截面法對主拱圈進行加固，即在主拱圈下襯鋼筋混凝土層以改善主拱圈的受力，使其荷載等級提高到公路-Ⅱ級。

　　3. 設計參數及有限元模型

　　3.1 設計參數

　　內套拱圈采用C40混凝土，鋼筋采用HRB335。本構關系和材料性能采用規范值[4～5]。

　　3.2 有限元模型

　　在模型中采用的單元類型為模擬混凝土材料的SOLID65。對拱橋建立模型時采用映射網格劃分法模型單元劃分如圖1所示[6]。在實際計算中，由于主拱在不計拱上建筑的聯合作用的時候是偏于安全的，因此以裸拱為計算對象建模。

　　邊界條件在結構分析中極為重要，它的形式將影響整個結構的受力狀態，對于分析結果的正確性起到關鍵性作用。該拱橋為無鉸拱橋，故取兩端拱腳截面為固定約束。

　　3.3 加載方案

　　荷載分為自重與二期恒載兩種形式，二期恒載以面荷載的形式施加在拱橋主拱的表面上。為了求解精確，荷載總效應應略大于其極限承載力，經過多次試算，二期恒載定為300KPa，布載面積為30m×6m。

　　依據載荷變化方式可以將整個載荷時間歷程劃分成多個載荷步即Load Step，每個載荷步代表載荷發生一次突變或者一次漸變階段。在載荷步時間段內，載荷增量可以進一步分成多個子步，每個子步內的載荷增量僅僅是當前載荷步內載荷增量的一部分，在子步載荷增量的條件下程序需要進行迭代計算，最終求解系統在當前子步時的平衡狀態。

　　在實際橋梁當中，未加固前橋梁已承受自重荷載，梁具有初應變，加固后加固材料與梁共同承受二期荷載。為了與實際情況一致，模型中分兩個荷載步，第一個荷載步為加固前自重工況下梁的受力狀況，第二個荷載步為激活加固材料，使其與橋體共同承受二期荷載，即可以求得各種加固方法下的極限承載力。

　　4. 拱橋加固性能分析

　　4.1 加固前受彎性能分析

　　經過計算得到荷載與截面撓度圖，如圖2所示。

　　從以上數據可知，加固前結構撓度達到0.059m時發生破壞，相應的跨中截面極限承載力為38311.15kN。

　　4.2 內套拱法加固后性能分析

　　分別對套拱加固厚度為30cm、40cm、50cm時進行分析。新增拱圈與原拱圈的連接不考慮相對滑移，二者協同受力。

　　(1)30cm套拱加固

　　荷載與撓度變化關系見圖3。

　　由圖3可知，套拱厚度為30cm加固時，當拱橋撓度達到0.02242m時破壞，相應的跨中截面極限承載力為46639.66KN。

　　由圖4可知，此時混凝土最大壓應變為0.0028，并且主要出現在L/4截面及拱腳截面。

　　(2)40cm套拱加固

　　荷載與撓度變化關系見圖5。

　　由圖5可知，套拱厚度為40cm加固時，當拱橋撓度達到0.243m時拱橋破壞，相應的跨中截面極限承載力為59084.32KN。

　　由圖6可知，此時混凝土最大應變為0.00323，超過混凝土極限壓應變0.003，混凝土已破壞;并且主要出現在拱腳截面、L/4截面及跨中新加固部分。

　　(3)50cm套拱加固

　　荷載與撓度變化關系見圖7。

　　由圖7可知，套拱厚度為50cm加固時，當結構撓度達到0.017151m時破壞，相應的跨中截面極限承載力為71415.76KN。

　　由圖8可知，此時混凝土最大應變為0.003345，超過混凝土極限壓應變0.003，拱橋破壞。并且主要出現在拱腳截面、L/4截面及跨中新加固部分。

　　4.3 不同厚度套拱加固結果對比

　　以上表明，加固后結構承載力比加固前結構承載力有了提高，其中套拱厚度為30cm加固時結構的極限承載力比加固前的提高了21.7%;套拱厚度為40cm加固時結構的極限承載力比加固前的提高了54.2%;套拱厚度為50cm加固時結構的極限承載力比加固前的提高了86.4%。隨著套拱厚度的增加，加固拱橋的極限承載力逐漸增長。

　　5. 結論

　　(1)采用內套拱法加固圬工拱橋，加固后與加固前的結構狀態相比主拱圈的最大和最小控制彎矩均增大了，而且隨著拱圈加固厚度的增大，控制彎矩值均呈增大的趨勢，撓度呈遞減的趨勢，因此不能盲目增大拱圈加固厚度，詳細設計時可考慮對加固厚度做最優化處理。

　　(2)拱橋的控制截面主要集中在拱頂、L/4 以及拱腳等幾個部位.但在加固計算中經常會遇到原拱圈截面拉應力超限的情況。但在實際加固實踐中，許多橋梁并不存在這樣的破壞，說明橋梁實際工作狀態與所采用的理論還有一定的差異。對石拱橋而言，計算中都假定為固結的無鉸拱，這種假定與實際受力是有一定差異的，因為石拱橋在拱腳處僅僅用砂漿砌筑，實際受力應處于無鉸拱和兩鉸拱之間。

　　(3)當加固后計算出的拱圈截面應力超過規范限值時，可以采取卸除部分或全部拱上建筑來減小拱圈截面應力的處理方法。因為卸除拱上建筑后，拱圈截面應力可以得到部分恢復，一旦形成組合截面，再恢復拱上建筑，或同時選用輕質的拱上填料，此時拱上填料由組合截面共同受力，截面應力可得到改善。

　　參考文獻：

　　[1] 顏向群，李海梁.石拱橋常見病害與預防措施.公路與汽運2003(6).69-70.

　　[2] 王國華.石拱橋常見病害與技術改造.廣東交通職業技術學院學報.2005(4).48-49

　　[3] 趙順波.張新中.混凝土疊合結構設計原理與應用[M]北京：中國水利水電出版社，2001

　　[4] 郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005