套箍加固法在拱桥中的应用

第４０卷，第３期　公　路　工　程　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．３　２　０　１　５年６月　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎ．，２　０　１　５　套箍加固法在拱桥中的应用　栾健，陈天和，蒋小妹　（湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙４１０００８）　［摘要】主要研究套箍加固法在拱桥中的应用，以石泉桥为研究工程背景，对该桥采用拱圈套箍加固法，并　对其在加固前与加固后分别进行有限元理论分析。通过对结构加固前后的承载能力极限状态组合强度验算、稳定　性验算及结构在一阶模态频率对比研究，得出拱圈在加固后，其强度得到提高，刚度显著增大，可以满足通行时强　度、刚度等要求，结构安全可靠。为今后旧桥加固提供参考依据。　［关键词】套箍加固法；承载能力；强度验算；稳定性验算；频率　［中图分类号］Ｕ　４４５．７　２　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１６７４—０６１０（２０１５）０３—００７６—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｕｆｆ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｉｎ　Ａｒｃｈ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＬＵＡＮ　Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ　Ｔｉａｎｈｅ，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏｍｅｉ　（Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｈｕｎａｎ　４１０００８，　Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈｏｏｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｉｎ　ａｎｄ　ｎａｍｅｄ　Ｓｈｉｑｕａｎ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｏｏｐ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈｏｏｐ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙ　ｅｘｐｌｉｃｉｔｌｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｓｔａｔｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ，　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｍｏｄａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｉｇｕｒｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｂｅｃｏｍｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｉｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｏｏｐ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｓｓｕｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｌｄ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｃｕｆｆ　ｍｅｔｈｏｄ；ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　１　概述　义　引。　本文主要采用套箍法　对拱桥的加固技术，通　随着时间的推移，新建的桥梁最终都将成为旧　过对桥梁的加固，使其能够满足使用要求。　桥。在桥梁使用期间，由于车辆，尤其是超重车辆的　行驶，以及外界各种因素的作用和影响，都会导致桥　２套箍加固法　梁的结构损坏，出现缺陷，甚至影响到桥梁的正常使　套箍法加固　拱圈主要是通过增大主拱圈的　用¨　。为了保证交通通畅，需要对桥梁定期进行维　截面来提高承载力。通过钢筋与原结构紧密粘结，　修、加固和改造。石拱桥修建的时间较早，其自身设　有效抑制原结构的开裂，并可显著提高加固构件的　计荷载等级较低，再加上材料的老化、腐蚀及结构在　整体强度，加固后的拱圈与原桥结构拱圈形成整体　不同程度上的破坏，导致桥梁结构的承载能力的不　共同受力　。套箍法加固拱圈施工流程为：　足，拆除这些旧桥重新建立新桥需要耗费巨额资金　①砌筑土石围堰；②拱圈化学灌浆、侧墙混凝　与时问，且中断了交通，给行车带来不便。旧桥加固　土灌浆；③加固桥台及基础按图纸内容布置钢筋网　技术　有能够节省资金，减少工期，又不中断交通　和浇筑一定等级混凝土（不低于Ｃ２０）；④搭建满堂　等优点，因此，拱桥加固技术的研究具有很大意　支架，以保证拱圈加固施工的顺利进行；⑤主拱圈　［收稿日期］２０１５—０４—２６　［基金项目］湖南省自然科学基金项目（１４ＪＪ２１０５）　［作者简介】栾健（１９８４～），男，湖南长沙人，工程师，硕士，主要从事隧道、港口码头、桥梁等检测与监测项目管理工作。　第３期　栾健，等：套箍加固法在拱桥中的应用　７７　下外包一定厚度的Ｃ３０混凝土，混凝土下层布置钢　筋网加固；⑥待新浇筑混凝土达到设计强度的９０％　后，拆除支架。　３　工程概况　紫荆山风电场建筑材料进场公路石泉桥为石拱　桥，拱圈厚约０．４３　ｍ，桥面厚约０．１　ｍ，为泥结碎石　路面，拱肩填石。桥梁全长６　ｍ，桥宽７．１　ｍ，拱圈跨　莲区　至畦　图３石泉桥拱圈加固示意图（单位：ｃｍ）　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｔｈｅ　ａｒｃｈ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｑｕａｎ　ｂｒｉｄｇｅ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）　度为２５　ｃｍ），以加大拱圈面积和惯性矩，从而提高　结构承载能力的目的。为保证新加固拱圈和原拱圈　径６　ｍ。石泉桥整体布置见图１，图２。　石泉桥因修建年代久远，通行压力较重，加之该　桥位于龙山风电场进场公路上，需要通行重载车辆，　１：８０　广ｌ　“＿］　ＬＩ　Ⅱ　图１石泉桥总体布置图（单位：ｃｍ）　Ｆｉｇｕｒｅ　ｌ　Ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｑｕａｎ　ｂｒｉｄｇｅ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）　１：８０　１：８０　ｌ４２．　３１３　一Ｉ　３１３　．４２　主拱罔　一　一。●　２　二　文炎蹙建姥　８　　ＩＩ　主拱圈　ｌ　　ｌ　ＩＩＩ　Ｉ　Ｉ　　ｌ　ｌＩ　ｌ　Ｉ‘　　ｌｌ　ｌ　ｌ　　Ｉｌ　’Ｉ　Ｉ　ｌ　　ｌ之　图２石泉桥横截面图（单位：ｃｍ）　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｑｕａｎ　ｂｒｉｄｇｅ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）　则需要对其进行加固处理，旨在于加固后的石泉桥　可以满足重件运输车辆的安全通行。　经过对原石泉桥拱圈的承载力验算，表明在重　载通行时原拱圈承载力不足，同时综合考虑施工快　捷，尽量减小对当地交通的管制时间，最终采用在原　拱圈之下浇筑Ｃ３０混凝土，已达到增加拱圈厚度，　加大拱圈面积和惯性矩，从而提高结构承载能力的　目的，满足重载通行需要。新加固拱圈构造图见图　３所示。　主拱圈加固：在原拱圈下外挂Ｃ３０混凝土（厚　更好的工作，在原拱圈中植入钢筋，加强两者之间的　连接。加固后拱圈结构见图４所示。　龙山　．－－－－－．Ｅ＞　厶Ｌ．ｈ　：：：Ｉ！：土　位　哇一ｌ［　：．．：ｂ　图４加固后示意图（单位：ｃａ）　Ｆｉｇｕｒｅ　４　Ａｆｔｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）　４桥梁加固前后受力分析　４．１有限元分析模型建立　石泉桥有限元模型共有２０个单元，２１个节点。　拱脚节点采用固结连接。结构有限元模型见图５。　图５有限兀模型　Ｆｉｇｕｒｅ　５　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　４．２拱桥加固前受力分析　石泉桥经验算，其加固前承载能力极限状态主　要计算结果见表１，表２所示，动力荷载计算及试验　结果见表３和图６所示。　由表１一表３中可以得出：拱圈在加固前基本　能达到规范要求，但有部分承载能力不能满足规范　要求，从图６可以看出：石泉桥在加固前的计算的一　阶频率为２４．３　Ｈｚ，测试的频率为２２　Ｈｚ，实际的结　构刚度偏小于计算结构，说明实际桥梁的刚度偏小，　桥梁受到损伤。　４．３拱桥加固后受力分析　石泉桥加固后经验算，其承载能力极限状态主　７８　公路工程　４０卷　表２承载能力极限状态组合稳定性验算结果　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔａｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　图６石泉桥～阶自振模态图　Ｆｉｇｕｒｅ　６　Ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｂｉｑｕａｎ　ｂｒｉｄｇｅ　要计算结果如表４和表５所示，结构动力特性如表　６和图７所示。　表４承载能力极限状态组合强度验算结果　Ｔａｂｌｅ　４　Ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔａｔｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈｅｃｋｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　表５承载能力极限状态组合稳定性验算结果　Ｔａｂｌｅ　５　Ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔａｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　一　暴　图７石泉桥一阶目振模态图　Ｆｉｇｕｒｅ　７　Ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｑｕａｎ　ｂｒｉｄｇｅ　下稳定性满足要求，图７可以看出：结构一阶自振模　态频率为２６　Ｈｚ，较加固前增大，说明结构在加固后　其刚度有所增加。　５　结论　测试跨　模态阶次　计算频率／Ｈｚ　互星堡　堑：！　①主拱圈加固，加大了拱圈面积和惯性矩，从　而提高结构承载能力，在原拱圈中植入钢筋，加强两　者之间的连接，更好的保证了新加固拱圈和原拱圈　由表４一表６得出：拱圈在加固后，结构的承载　能力的强度、稳定性明显增强，其在温度的升降影响　第３期　栾健，等：套箍加固法在拱桥中的应用　７９　（上接第７５页）　出以下结论和建议：　生料添加比例应用于排水沥青混凝土的各项性能试　验值的差异性。　①以加压浸水剥落来模拟再生排水沥青混凝　土路面短期受水损害的影响，当石灰添加ｌ％～３％　时，以添加３％石灰的加压浸水间接抗拉强度值最　高，且损失率为最低，因此就短期受水损害的角度来　说，添加石灰３％对于抗水损害能力的确有明显的　⑤本研究的再生排水沥青混凝土，加压浸水的　短期剥落情境下，石灰添加量越多，间接抗拉强度越　大，然而长期浸水时，石灰添加量与间接抗拉强度的　关系未必呈现正比，石灰添加越多，对于整体性能未　必具有良性的提升，必须进一步印证。因此建议可　将石灰的添加量再增加至４％～５％，并尝试以不同　试验方法来评估石灰添加量对于再生排水沥青混凝　土长期浸水的整体影响。　［参考文献］　［１］　日本道路协会．排水性铺装技术指针（案）［Ｍ］．东京：丸善　株式会社，１９９６．　提升，对于重交通量且常积水路段，可尝试使用较高　比例的石灰使用量添加于再生排水级配沥青混凝　土。　②以不同浸泡天数来模拟再生排水沥青混凝　土路面长期受水损害的影响，发现在浸泡第５天时　有有最大的损失率，之后便趋于平缓，故以抗水损害　的角度而言，水分对于路面的影响以浸泡５　ｄ时的　影响最为显著。此外，添加１％石灰的间接抗拉强　度损失量明显低于其它添加量的值，因此对于长期　受水损害路段而言，添加１％石灰的间接抗拉强度　［２］　张铭铭，李会娟，郝培文．基于贝雷法排水性沥青混合料级配　设计方法研究［Ｊ］．公路，２００９（６）．　［３］　杜少文，矿渣消石灰粉乳化沥青混凝土性能与微观机理［Ｊ］．　建筑材料学报，２００９，１０（２）．　即具有较好的表现，然而添加比例不宜过高。　③针对石灰拌人方式与间接抗拉强度之间的　关联性而言，加压浸水剥落损的间接抗拉抗拉强度　损失率，以石灰先拌人新沥青＜先拌人再生料＜先　拌入新集料。而就不同浸泡天数下间接抗拉强度损　失率而言，以石灰先拌入新集料＜先拌人新沥青＜　［４］　白志文，田波，孔永健．路面／轮胎噪声测试方法综述［Ｊ］．公　路交通科技，２００８（０１）．　［５］　陈文震，汪宽平．盐通高速公路排水路面价格对比分析［Ｊ］．　公路交通科技，２００６（１０）．　［６］　聂淑贞。应荣华．排水性沥青路面使用性能分析［Ｊ］．公路与　汽运，２００６（０５）．　［７］　Ｂａｄａｒｕｄｄｉｎ，Ｓ．（１９７８），“Ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｓｔｉｒｐｐｉｎｇ　ｉｎ　ａｓｐｈａｈ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍｉｘｔｕｒｅｓ。”Ｐｕｒｄｕｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。ＣＥ５９７Ｇ．　先拌入再生料。然而无论加压浸水或长期浸水，都　以石灰先拌人新沥青具较高的间接抗拉强度。因　此，对于再生沥青混凝土石灰的添加方式，建议可先　与新沥青拌和，可避免现场运送条件上的限制。　④本研究的再生排水沥青混凝土中，再生料的　用量采用混合料的２０％，建议在取得再生料应用于　排水级配时，可选择粒径较大的再生料，提高不同再　［８］Ｋｅｎｎｅｄｙ，Ｗ．　ａｎｄ　Ｐｉｎｇ，Ｗ．Ｖ．（１９９１），“Ａｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｆｆｅｅ－　ｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ａｎｔｉ—ｓｔｉｐｐｉｒｎｇ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｉｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｆｒｏｍ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　Ｄａｍａｇｅ，”Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｐａｙ—　ｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ，Ｖｏ１．６０，ＰＰ．２３０—２６３．　［９］Ｔｉａ，Ｍ．（１９９３），“Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ—　ｍｉｘ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，’’Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｆｉｓｔ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ，Ｔａｉｗａｎ．