MidasCivil软件中施工阶段联合截面功能在石拱桥加固中的应用

冉启永

（遵义市交通勘察设计有限公司，贵州 遵义 563000）

在石拱桥的结构承载体系中，主拱圈处于举足轻重的地位，上部结构及车辆荷载最终都通过主拱圈传到基础部分。大部分石拱桥的加固都要进行主拱圈加固。目前，石拱桥加固中对主拱圈的加固方法都是增大拱圈截面。由于加固材料不同或同种材料的强度不同，加固计算时需要考虑新旧拱圈的刚度及新增拱圈中原有拱圈和新增拱圈的收缩徐变，分析两种不同构件各自分配的内力及应力。现有的有限元软件对主拱圈加固计算都是建立新旧构件单元，通过节点之间的刚接进行数值模拟。由于刚度对内力分配的影响较大，钢接处的计算结果不能反映构件的实际受力情况；若刚接点设置太少，又不能反映构件的联合受力情况。

为避免以上情况，本桥采用Midas Civil软件中的施工阶段联合截面功能，对该桥进行数值分析，使得分析过程简单，同时可体现不同构件材料的时间依存性，并使结构计算分析得以简化。

1 Midas C ivil软件中施工阶段联合截面的实现原理

联合结构指由两种不同材料的构件，或者同一种材料但强度和材龄不同的构件联合所构成的结构。Midas C ivil中的联合截面处理主要是通过建立不同的施工阶段，在适当的施工阶段将两种材料联合，根据两种构件的刚度和变形协调原理来分配构件的内力和应力，且可以考虑不同构件材龄引起的收缩徐变。

2 复兴大桥的基本情况

复兴大桥位于桐梓县松坎至狮溪公路K62＋732处。建于1980年，已使用31年，没有找到设计文件，根据现场调查，该桥为一跨空腹式等截面悬链线石拱桥，净跨径为50.0m，桥全长67.8m，主拱圈截面高度D＝1.3m，矢跨比f0／10＝1／8.2（实测数据），拱轴系数m＝2.24（由实测坐标数据确定）；根据该地区类似桥梁情况结合当时桥梁荷载标准推算，该桥荷载等级为汽—20、挂—100。该桥主拱圈有开裂、下挠现象。近年来，该公路上交通量增大、重载车辆增多，急需进行加固改造。

3 加固处理方案

3.1 加固设计要点

根据该公路交通量的特点，结合该桥的实际情况，按公路—Ⅱ级荷载进行加固提载。具体的加固设计要点如下：

a）通过植筋方式，在原主拱圈底部设置三根截面尺寸为100cm×60cm的纵向钢筋混凝土拱肋，纵向拱肋采用截面尺寸为100cm×60cm横向系梁相连；

b）通过植筋方式，在原桥拱座及基础内侧浇注1m厚度的钢筋混凝土来支撑新增拱肋；

c）维持原桥面标高不变，对桥梁系拆除翻修；

d）通过悬臂梁来增设人行道及栏杆。

3.2 主拱圈验算结果

3.2.1 计算方法

采用Midas C ivil按平面单元分别建立原桥和加固后裸拱数值模型，不考虑拱上建筑的联合作用，整个主拱圈结构离散为50个单元（见图1）。

图1 复兴大桥模型图

主拱圈以上结构的自重按静力荷载处理，主拱圈自重由程序自动计入，汽车荷载为公路—Ⅱ，人群荷载之和为3.0kN／m2。按规范JTG D60—2004第4.1.6条，建立下列三种荷载组合：

a）荷载组合Ⅰ为恒载＋汽车荷载＋人群；

b）荷载组合Ⅱ为：恒载＋汽车荷载＋人群＋温升；

c）荷载组合Ⅲ为恒载＋汽车荷载＋人群＋温降；

由于该桥已建成使用多年，本次只进行成桥阶段验算，但为了解主拱圈原截面和新增拱肋截面的应力分布情况，加固后的模型共划分为4个施工阶段，在第二施工阶段建立原截面和新增拱肋截面的联合截面，使两种刚度不同的材料协调受力。各施工阶段的主要情况如下：

a）第一阶段 添加主拱圈单元（截面为未加固前的截面）、自重及相应的边界；

b）第二阶段 建立施工阶段联合截面，使新增拱肋截面与原截面共同协调受力；

c）第三阶段 添加主拱圈以上部分的结构自重；

d）第四阶段 给该施工阶段3 650d的时间来考虑新增混凝土拱肋收缩徐变的时间依存性.

3.2.2 强度验算结果

根据内力结果，计算在最大弯矩和最大轴力情况下主拱圈拱脚、1／8跨、1／4跨、3／8跨及拱顶特征断面处截面强度系数（K＝R（fd，ad）／γ0S）见表1。

表1 各截面强度系数值表

计算结果表明，在公路—Ⅱ级荷载下，加固前主拱圈拱脚截面在组合Ⅲ工况下（最大负弯矩）不满足要求，其它截面的截面承载力满足规范要求；加固后拱脚截面的截面强度系数由0.93提高到1.17，截面承载力满足规范要求。

3.2.3 整体“强度-稳定”验算结果

通过验算，在最不利荷载组合（组合Ⅱ）下，加固前强度稳定系数φAfcd/γ0Nd=0.84，可见整体纵向稳定不能满足规范要求；加固后强度稳定系数φAfcd/γ0Nd=2.04，整体纵向稳定满足要求。

4 截面计算应力结果对比

原拱圈和新增拱肋的理论计算应力与荷载试验中的测试应力对比如表2所示。

表2 理论计算与测试最大应力数值表

可见理论计算和实测应力相差不大，表明Midas C ivil中施工阶段联合截面功能可以较好地应用于石拱桥加固计算中。

5 结语

理论值与实测结果对比和具体施工均表明，Midas C ivil计算方法合理、适用。

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