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鋼架用于橋梁加固的探索與研究

文檔作者：張利偉張慧文檔來源：河南大學(xué)土木建筑學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月03日
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·818·
建 筑 技 術(shù)
Architecture Technology
第41卷第9期2010年9月
Vo1．41 No．9 Sept．2010
鋼架用于橋梁加固的探索與研究
張利偉，張慧
(河南大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南大學(xué)鋼與空間結(jié)構(gòu)研究所，475004，河南開封)
摘要：以三等跨簡支平臺橋梁加固為例，提出鋼結(jié)構(gòu)拱形桁架的橋梁加固改造方法。通過有限元結(jié)構(gòu)分析
軟件，分析鋼結(jié)構(gòu)在各種工況組合下結(jié)構(gòu)的受力性能，保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠，滿足了拱形鋼架的強(qiáng)度、剛度和
整體穩(wěn)定要求，合理控制了鋼架變形，滿足了工程實(shí)際需要。
關(guān)鍵詞：橋梁加固；鋼架結(jié)構(gòu)；加固技術(shù) -
中圖分類號：TU 746．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000-4726(2010)09—0818—03
EXPLoRATIoN AND RESEARCH oN APPLICA．】[’IoN oF STEEL FR ME
FoR BRⅢ GE STRENGTHEN G
ZHANG Li—weI．ZHANG Hui
(Department of Civil Engineering and Architecture，Steel and Space Structure Research Institute，
He"nan university， 475004，Kaifeng，He'nan ，China)
Abstract： Strengthening of trisected simply-supported platform bridge is taken as an example to give out
the strengthening and rebuilding methods for bridge with steel structure arch truss．Finite element structural
analysis software is used to an alyze the force bearing perform ance of steel structure under various service
conditions， SO as to guarantee the safety and reliability of steel structure， to satisfy the requirements for
strength，rigidity and integral stability of arch steel frame，to reasonably control the deform ation of steel frame
and to meet the practical engineering requirements．
Key words：bridge strengthening；steel fram e structure；strengthening technique
20世紀(jì)80年代以前建造的部分橋梁，設(shè)計(jì)荷載普
遍較低，服務(wù)年限已超過30年，隨著公路運(yùn)輸快速發(fā)
展，重載車輛日趨普遍，許多干線橋梁因通行寬度不
足、承載能力低，成為影響交通的瓶頸。其次，由于歷史
原因，早期建造的橋梁，鋼筋混凝土材料強(qiáng)度偏低，且
鋼筋含量普遍偏少，以致安全儲備低，經(jīng)多年超負(fù)荷使
用，病害尤為嚴(yán)重。如何對橋梁進(jìn)行加固改造，以保障
交通基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展十分重要。本文通過工程改
造實(shí)例探討一種采用鋼結(jié)構(gòu)拱形桁架的橋梁加固改造
方法，該法具有經(jīng)濟(jì)、美觀、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 橋梁立面不意
該橋梁年久失修，橋面損壞嚴(yán)重，由于影響了橋梁
正常使用等各種功能，迫切需要加固改造，以提高結(jié)構(gòu)
整體承載力，增大橋面通行寬度，合理利用原橋梁結(jié)構(gòu)
基礎(chǔ)、橋墩和橋臺等主要完好承重部件，在原承重結(jié)構(gòu)
基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固與改造，使新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)有效
配合，共同作用。
1 工程概況 2 加固改造方案選擇
某橋梁原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案屬常見的梁式橋中的簡支
板橋梁，路面鋪設(shè)在5根T形次梁上，T形梁通過主梁把
荷載傳給下部結(jié)構(gòu)。主梁、次梁、橋墩和橋臺支撐形成
了一個完整的幾何不變且具有一定剛度的結(jié)構(gòu)。該橋
縱向長度為39m，由3跨組成，橋面寬8．5m，結(jié)構(gòu)立面圖
見圖1。
收稿日期：2010—05—08
基金項(xiàng)目：河南大學(xué)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(04ZDZR003)
作者簡介：張利偉(1984一)，男，河南嵩縣人，碩士研究生，e—mail：zlw
126@163．coln．
2．1 改變結(jié)構(gòu)體系法
通過變簡支梁為連續(xù)梁，變簡支梁為撐架、剛架
梁，變懸臂梁為連續(xù)梁等，降低控制彎矩；或采用體外
預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)外力減荷；也可增強(qiáng)橫向聯(lián)系而改變橫向
分配系數(shù)，降低控制內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力調(diào)節(jié)。該法的不足
在于改造工作量較大，施工工期長，且不經(jīng)濟(jì)。
2．2 增大構(gòu)件橫截面法
該技術(shù)是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再澆筑一定厚度的鋼筋
混凝土，用以提高抗彎剛度，是一種常用的技術(shù)。但此
方案會大大增加結(jié)構(gòu)自重，且存在改造量大、施工周期
2010年9月 張利偉，等：鋼架用于橋梁加固的探索與研究 ·8l9·
長的缺點(diǎn)。
2．3 粘貼加固法
采用高分子粘合材料將鋼板(筋)或碳纖維布等高
強(qiáng)材料粘貼在需加固構(gòu)件表面，通過新增的高強(qiáng)材料
承擔(dān)增加的通行活荷載。此法在當(dāng)?shù)丶夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下
難度較大．施工質(zhì)量很難保證。
2．4 采用鋼結(jié)構(gòu)拱形桁架加固法
該加固改造方案如下。
(1)在原結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置2榀鋼架，該鋼架與原有結(jié)
構(gòu)的連接十分重要。為建立新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)之間的有效
連接，在新設(shè)鋼架中間部位與原有橋面相接處設(shè)置固定
約束。具體做法為在舊結(jié)構(gòu)橫梁上植入5根錨筋，錨筋端
部焊接1塊鋼板。新結(jié)構(gòu)角鋼焊接在錨筋端部鋼板上，形
成固定約束，從而約束鋼架整體位移。同時，在鋼架頂部
與新鋪橋面相接處設(shè)置橫向約束，以約束鋼架頂部橫向
位移(y向位移)，結(jié)構(gòu)約束示意如圖2所示。
y(橫)向約束
．=jfyZ三向固足約柬
圖2 結(jié)構(gòu)約束示意
(2)2榀鋼架下拱間采用拉桿連接，拱形鋼架兩端
分別于橋臺和橋墩處形成固定約束，可有效避免因鋼
架在水平風(fēng)力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；
同時確保下弦拉桿在風(fēng)荷載作用下不因受壓而失去作
用，始終處于受拉狀態(tài)，也保證下弦結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用
下側(cè)向位移滿足剛度要求。
(3)鋼架材料主要采用Q235方鋼，此處拱形鋼架
不是承重結(jié)構(gòu)，受力較小，鋼架平面內(nèi)與平面外穩(wěn)定很
容易滿足．新設(shè)橋面所受主要荷載仍由原結(jié)構(gòu)承重系
統(tǒng)承擔(dān)。
由于該工程是在原結(jié)構(gòu)承重體系基礎(chǔ)上進(jìn)行加固
與改造，新建結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)間的結(jié)合成為本工程的
關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新結(jié)構(gòu)受力最終是通過原結(jié)構(gòu)的承重部件
傳給橋基。所以有效的連接是本工程設(shè)計(jì)安全的重要
保證。
由本方案能很好滿足強(qiáng)度和剛度等要求，克服加固
自重大、施工周期長等缺點(diǎn)，故最終決定采用本方案。
3 工程計(jì)算及分析結(jié)果
3．1 分析方法
采用有限元分析，單元類型為桿件單元，考慮到鋼
結(jié)構(gòu)材料比較理想，故材料采用線彈性模型，荷載考慮
了以下4種工況組合：(1)1．OOx靜；(2)1．00x靜+1．40x
風(fēng)；(3)1．35×靜+溫度(+30℃)；(4)1．35×靜+溫度(一
30℃)。
具體分析中采用了兩種結(jié)構(gòu)有限元分析軟件(MST
和ANSYS)，分別對各種荷載工況組合作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)
行分析，以便對照，保證計(jì)算的可靠性并評估該結(jié)構(gòu)的
安全性。鋼結(jié)構(gòu)拱形加固桁架的三維圖如圖3所示。
圖3 鋼架結(jié)構(gòu)三維圖示意
3．2 分析結(jié)果
3．2．1 僅考慮新結(jié)構(gòu)作用時的計(jì)算結(jié)果
影響結(jié)構(gòu)整體性能的主要因素是應(yīng)力和位移，所
以本文主要計(jì)算分析應(yīng)力及位移結(jié)果，若忽略原結(jié)構(gòu)
剛度的影響，而僅依靠新結(jié)構(gòu)剛度作用，計(jì)算結(jié)果顯示
的結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力值均／j＼=fZQ235鋼材的許用應(yīng)力
(215 N／nun )。MST計(jì)算結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果顯示的
應(yīng)力值基本一致，桿件應(yīng)力都在容許范圍之內(nèi)。
結(jié)構(gòu)的位移是控制該結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)劣的重要指
標(biāo)之一，結(jié)構(gòu)剛度大，位移小，受力性能就好；反之，結(jié)
構(gòu)較柔，位移大，就難以滿足正常使用要求。位移計(jì)算
結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)整體位移值均較小，最大位移僅為跨度
的1／1300，說明加固改造方案滿足剛度要求；且在各種
工況組合下最大位移均發(fā)生在下弦拱處。因整個鋼架
結(jié)構(gòu)在最上部與新設(shè)橋面接觸部位和中部與原有路面
接觸部位均有良好的固定約束，所以該處位移均較??；
而結(jié)構(gòu)下弦拱之間連接靠的是十字交叉拉桿，對結(jié)構(gòu)
約束相對較弱，才表現(xiàn)出位移較大的特征，也證實(shí)了軟
件分析結(jié)果的正確性。
3．2．2 新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同作用時的計(jì)算結(jié)果
由于兩種有限元軟件分析結(jié)果一致，在新舊結(jié)構(gòu)協(xié)
同作用時僅用ANSYS的分析結(jié)果。加固改造后鋼架與
原有橋梁結(jié)構(gòu)共同作用時在各工況組合下的力學(xué)計(jì)算
值表明，結(jié)構(gòu)Z向最大位移發(fā)生在工況三荷載組合下，
其值為14．9 mm是跨度13 m的1／867，滿足剛度要求，桿
件最大拉力300．1 kN在第四工況組合作用時產(chǎn)生，而
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建 筑 技 術(shù)
Architecture Technology
第41卷第9期2010年9月
Vo1．41 No．9 Sept．2010
外粘型鋼加固柱技術(shù)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用
張志海
(寶維士聯(lián)盛建筑工程有限公司，200031，上海)
摘 要：外粘型鋼加固法就是對鋼筋混凝土梁、柱外包型鋼、扁鋼焊成構(gòu)架并灌注結(jié)構(gòu)膠粘劑，以達(dá)到整體
受力，共同約束原構(gòu)件要求的加固方法。南京漢佰工業(yè)廠房預(yù)制柱采用外粘型鋼法進(jìn)行加固，施工簡便，較大地
提高了預(yù)制柱的承載力，效果良好。
關(guān)鍵詞：預(yù)制柱；外粘型鋼；加固工程
中圖分類號：TU 746．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000—4726{2010l09—0820—03
APPLlCATIoN oF COLUM N STRENGTHEN NG W ITH EXIIERNAI．LY BoNDED
STEEL FRAME TECHNIQUE IN 腫USTR L FACToRY
ZHANG Zhi-hai
(Bo~s Lend I．~AtSC Projects Co．，Ltd．。200031．Shanghai．China}
Abstract：Structure member strengthening with externally bonded steel frame technique means frame formed
by section steel and fiat steel encased strengthening concrete beam or column and injecting agglomerant later
SO that steel COnfined original structure member and all memb ers can bear load together．This technique is
adopted on Nanjing Hanes brands industrial factory．Good efect occurred that it is easy for construction and
improved more capacity also it is a good reference for similar issue on such structural style．
Key words： pre—cast column ； structure memb er strengthening with externally bonded steel frame；
strengthening engineering
南京漢佰工業(yè)廠房為單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，主廠
房全長610m，寬144m，檐高l2．5m，采用鋼筋混凝土預(yù)
制柱，混凝土強(qiáng)度等級C30，橫向柱距18m，縱向柱距1O
收稿日期：2010—04—12
作者簡介：張志海(1973一)，男，天津市人，高級工程師，e—mail
zzh0323@sohu．com．
m。由于施工質(zhì)量原因，有3根預(yù)制柱混凝土強(qiáng)度不合
格，僅達(dá)到C20的水平，經(jīng)業(yè)主與設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、質(zhì)
量監(jiān)督站協(xié)商，確定采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。
1 加固設(shè)計(jì)
本工程工期緊，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，柱加固后
桿件最大壓力一314．5 kN~,lJ在第三工況組合時出現(xiàn)。
結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大Z向位移值為14．9 mm,X向位移值
為一4．02mm，Y向位移值為9．72mm，整個結(jié)構(gòu)在各種工
況下的位移值均較小，滿足規(guī)范對位移限制的要求。計(jì)
算顯示，加固改造后的結(jié)構(gòu)能有效提高承載力，使橋梁
負(fù)荷與加固前相比有大幅上升。同時改造結(jié)構(gòu)采用
Q235鋼材的桿件最大應(yīng)力為148．5 MPa，均小于所用鋼
材容許應(yīng)力，故整個改造結(jié)構(gòu)安全可靠。
4 結(jié)語
(1)鋼架在橋梁加固改造中能有效提高結(jié)構(gòu)承載
力，經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠，加固時間短，不會對交通造成
很大影響。同時又能取得良好的造型。
(2)根據(jù)原有結(jié)構(gòu)和加固改造的實(shí)際情況，必須
加強(qiáng)新舊結(jié)構(gòu)間的連接，使新舊結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮協(xié)同作
用。
(3)計(jì)算過程中，考慮原有結(jié)構(gòu)的實(shí)際破損程度，
可采用由新結(jié)構(gòu)單獨(dú)全部承擔(dān)荷載，或新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同
承擔(dān)荷載的計(jì)算方法。
(4)由于橋梁結(jié)構(gòu)水平風(fēng)載存在，應(yīng)采用增強(qiáng)新
設(shè)鋼架與新鋪橋面間約束的方法，解決風(fēng)載作用下結(jié)
構(gòu)的側(cè)移問題。
參考文獻(xiàn)
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