彭 凱，喬奮義，賈小飛

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101；3.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱加固拱橋技術(shù)試驗研究*

彭 凱1，喬奮義2，賈小飛3

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101；3.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

以新疆某舊拱橋為工程背景，建立其主拱圈縮尺模型，對比分析了縮尺模型在模擬自重荷載作用下，采用預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱加固前后主要控制截面的應(yīng)變、撓度及拱圈彎曲能等指標(biāo)的變化?？s尺模型經(jīng)加固后，拱圈控制截面的應(yīng)力水平總體比加固前明顯減??；加固對拱軸線形可起到明顯的調(diào)整作用，且加固后拱圈彎曲能量減少了81%。實驗結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱能夠有效分擔(dān)和改善拱肋的自重內(nèi)力，從而顯著提高其抗壓承載力。該加固技術(shù)對改善類似拱軸線形不佳或自重內(nèi)力條件不利的上承式拱橋的承載力和使用性能效果顯著，可作為拱橋加固的備選技術(shù)方案。

橋梁工程；拱橋加固；預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱；內(nèi)力優(yōu)化；拱軸線調(diào)整；彎曲能量

0 引 言

拱橋是我國的傳統(tǒng)橋型之一。隨著交通事業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種新橋型不斷出現(xiàn)，但是拱橋仍舊發(fā)揮著重大作用。交通量的逐年增加對較早時期建設(shè)的在役拱橋提出了更高的承載力和使用性能要求。因此，對大量舊拱橋的加固和技術(shù)改造迫在眉睫。目前拱橋的加固方法較多，主要有增大拱圈截面，增強(qiáng)拱肋、拱波之間的聯(lián)系，加強(qiáng)橫向聯(lián)系，減輕拱上建筑重量等幾種基本方法及其組合方法。

預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱(prestressing hinged piecewise steel arch, PHPSA)加固拱橋是針對拱橋受力特點提出的一種有效的預(yù)應(yīng)力主動加固方法，該方法前期已獲得國家發(fā)明專利[1]。該加固技術(shù)是在上承式混凝土拱橋原主拱圈下增設(shè)鉸接折線形鋼拱圈與原拱腹在折點接觸受力，并通過在鉸接鋼拱拱腳部位設(shè)置千斤頂對鋼拱圈，進(jìn)而對原主拱圈施加預(yù)應(yīng)力，達(dá)到主動分擔(dān)原主拱圈在結(jié)構(gòu)自重下的內(nèi)力，改善優(yōu)化原主拱圈各控制截面(如拱頂，3L/8，L/4，L/8及拱腳截面等)內(nèi)力狀態(tài)(主要是彎矩及偏心距)的目的。PHPSA技術(shù)通過預(yù)應(yīng)力調(diào)整、優(yōu)化實現(xiàn)拱橋主拱圈在恒載作用下的內(nèi)力重分布，有利于削減主拱圈彎矩峰值，降低主拱圈彎曲能量，最后達(dá)到提高活載作用下拱橋承載和使用性能的目的。

1 PHPSA加固技術(shù)簡介[1]

1.1 PHPSA加固結(jié)構(gòu)組成

PHPSA加固是采用鋼壓桿通過鋼鉸座兩兩鉸接形成折線形鋼拱圈，并在折點鋼鉸座處與拱橋主拱圈底面相接觸而協(xié)同受力，再在拱腳部位壓桿采用千斤頂施加壓力，以此來對鋼拱圈及主拱圈施加預(yù)應(yīng)力，調(diào)整優(yōu)化恒載作用下主拱圈內(nèi)力狀態(tài)和受力條件的一種高效、經(jīng)濟(jì)的拱橋加固新技術(shù)。如圖1，其加固結(jié)構(gòu)及工藝如下：預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱(1)由鋼壓桿(2)、鋼鉸座(3)、錨固鋼墊(4)、拱底黏貼鋼板(5)組成，鋼壓桿(2)之間通過鋼鉸座(3)鉸接，鋼鉸座(3)法向光滑接觸支撐在拱底黏貼鋼板(5)上，兩側(cè)拱腳鋼壓桿(2)通過錨固鋼墊(4)支承在拱座上。預(yù)應(yīng)力的施加方法采用在兩側(cè)拱腳鋼壓桿(2)下端面和拱座之間安放千斤頂并沿拱腳鋼壓桿(2)軸心線方向施加設(shè)計大小的預(yù)頂力，預(yù)頂力施加完成以后，采用錨固鋼墊(4)填塞兩側(cè)拱腳鋼壓桿(2)下端面和拱座之間的空間，以保存預(yù)應(yīng)力。

圖1 PHPSA加固結(jié)構(gòu)組成Fig. 1 The composition of PHPSA structure

該技術(shù)具有顯著的技術(shù)價值和工程應(yīng)用價值，其優(yōu)勢如下：

1)折線形鉸接鋼拱的構(gòu)件形式簡單、輕便，加工、運(yùn)輸及安裝快捷，且僅需在兩側(cè)拱腳進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加操作，施工過程對拱橋橋面交通運(yùn)行無干擾，對原主拱圈結(jié)構(gòu)無損傷。

2)折線形鉸接鋼拱在施加預(yù)應(yīng)力時通過鉸座與原主拱圈底面黏貼鋼板的光滑接觸形成靜定結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力力學(xué)模型簡潔，各接觸點預(yù)加力大小、方向明確，且折線分段數(shù)量(接觸點數(shù)量)和鉸節(jié)點位置(接觸點位置)可根據(jù)需要靈活調(diào)整，能很好地適應(yīng)主拱圈不同截面內(nèi)力調(diào)整的特定需求。

3)PHPSA加固法可在不增加原結(jié)構(gòu)荷載的前提下有效改善原主拱圈的恒載內(nèi)力分布。

4)PHPSA加固法的組成構(gòu)件在使用期間是可檢測、可調(diào)整、可維修、可控制和可更換的，為拱橋在使用期的維護(hù)管理提供了技術(shù)便利，可有效提高拱橋的耐久性，延長拱橋使用壽命。

1.2 PHPSA加固設(shè)計原理要點

拱橋在成橋恒載作用下,由于拱軸線與壓力線的偏離，主拱圈拱頂、拱腳等截面彎矩值可能偏大，不利于發(fā)揮拱圈截面材料的抗壓性能優(yōu)勢，削弱了截面承擔(dān)后續(xù)活載效應(yīng)的富余能力。這一點在一些拱軸線形較差、恒載布置不當(dāng)、溫度及收縮徐變效應(yīng)考慮不周及施工線形控制不好的拱橋上顯得尤為突出[2-9]。因此應(yīng)控制主拱截面出現(xiàn)恒載彎矩峰值及恒載下拱圈彎曲能量,以達(dá)到充分發(fā)揮截面材料抗壓性能優(yōu)秀的目的。為此，以成橋恒載作用下主拱恒載彎矩分布為PHPSA加固設(shè)計的調(diào)整優(yōu)化對象，分析對拱橋主拱圈增設(shè)PHPSA加固處治后的有效性，以此引導(dǎo)加固設(shè)計，其要點如下：

1)建立拱橋有限元模型，求得主拱圈彎矩影響線，計算主拱圈各控制截面在最不利恒載組合作用下的內(nèi)力和變形效應(yīng)。

2)結(jié)合主拱圈最不利恒載彎矩分布及主拱跨徑、矢高等擬定PHPSA鋼鉸座鉸節(jié)點數(shù)量，一般取3，5，7個?？鐝捷^大，矢跨比較小的拱橋鉸節(jié)點數(shù)量可適當(dāng)增加。這是由于矢跨比較小，則拱圈較坦，鉸節(jié)點數(shù)量少則鋼拱圈與原拱圈接觸點相對較少，對改善受力較為不利。相對而言矢跨比較大，鉸節(jié)點可適當(dāng)減少。

3)在確定了鉸節(jié)點數(shù)量后，鉸節(jié)點位置的擬定要結(jié)合彎矩影響線和主拱圈最不利恒載彎矩峰值位置來進(jìn)行，一般應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)恒載作用下主拱圈的正彎矩區(qū)域?？上燃俣◣追N鉸節(jié)點位置方案，再按后述方法進(jìn)行鉸節(jié)點預(yù)壓力的影響線加載及方案優(yōu)劣判別。

4)根據(jù)擬定的PHPSA鉸節(jié)點數(shù)量和位置，計算拱腳預(yù)加力的大小、所需的支撐壓桿截面尺寸以及預(yù)加力作用效果——加固后拱橋主拱圈彎曲能的大小，并以下式表達(dá)的加固效能系數(shù)作為判別標(biāo)準(zhǔn)用于加固技術(shù)方案的比選：

(1)

式中：κ為加固效能系數(shù)，m；U為PHPSA拱腳設(shè)計預(yù)加力及原結(jié)構(gòu)恒載共同作用下拱橋主拱圈的彎曲能，(kN · m)；f為PHPSA拱腳設(shè)計預(yù)加力，kN。

一般而言，根據(jù)式(1)得到的PHPSA加固方案κ值越小，則方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能越佳。

2 試驗?zāi)Ｐ秃喗閇9]

2.1 模型拱的制作

為模擬預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱加固拱橋的技術(shù)效果，選取新疆某舊雙曲拱橋為原型，該橋為凈跨度32.6 m+32.6 m的兩跨混凝土雙曲拱橋，主拱圈線形為近似圓曲線，中墩為剛性推力墩。主拱圈橫向由5道拱肋、4道拱波及上覆拱板組成。根據(jù)相似原理，考慮制作方便性及實驗室條件，取原型：模型縮尺比為11∶1，并將原主拱圈拱肋較為復(fù)雜的截面形式按截面積和截面抗彎慣性矩相似關(guān)系，縮小簡化為矩形截面[10]。因原橋主拱圈拱腳護(hù)拱部分在溫度次內(nèi)力作用下已開裂，其結(jié)構(gòu)效應(yīng)難以保證，本次試驗未模擬護(hù)拱作用，以裸拱圈作為主體受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

縮尺模型跨徑3 m，矢高1.375 m，拱圈采用C40混凝土制作，根據(jù)縮尺比配有構(gòu)造鋼筋，截面尺寸寬×高為13.5 mm×15.5 mm；拱圈底面與PHPSA鋼鉸座接觸區(qū)域采用環(huán)氧樹脂膠黏劑黏貼5 mm厚鋼板。PHPSA鋼壓桿采用Q235矩形鋼管，其規(guī)格為60 mm×40 mm×3 mm；鋼鉸座采用5 mm厚鋼板焊接加工而成，鉸座安裝位置設(shè)置在拱圈的L/4，3L/8，L/2，5L/8和3L/4這5個控制截面處，鋼鉸座與拱圈底面黏貼鋼板接觸面上涂有黃油以減小摩擦因數(shù)，涂油后界面摩擦因數(shù)可取0.05～0.10。采用扁千斤頂在PHPSA拱腳施加軸向預(yù)加力。模型拱圈及PHPSA加固布置如圖2。

試驗分兩種工況進(jìn)行：

Ⅰ. 恒載工況：將原拱橋結(jié)構(gòu)恒載按縮尺比簡化為拱上橫墻位置的集中荷載，分9個加載點逐級加載于模型拱圈上，測試拱圈恒載效應(yīng)。

Ⅱ. PHPSA加固工況：維持工況I的恒載狀態(tài)，在模型拱圈拱腹下方安裝PHPSA并分級施加設(shè)計預(yù)加力，測試PHPSA及模型拱圈的復(fù)合受載效應(yīng)。

圖2 模型拱及PHPSA加固布置立面Fig. 2 The profiles of the model arch and PHPSA

2.2 測點布置與加載方式

2.2.1 測點布置

1)為測試加固前后模型拱的應(yīng)力、撓度等指標(biāo)，分別在模型的拱腳，L/4，3L/8，L/2共7個截面布置法向應(yīng)變片；同時，在模型拱的L/4，L/2布置百分表撓度測點。拱圈測點布置如圖3。

圖3 模型拱圈測點布置Fig. 3 The layout of gauging points on the model arch

2)為考察PHPSA鋼壓桿的受力狀態(tài)，在各壓桿中截面布置了縱軸向應(yīng)變片。

2.2.2 加載系統(tǒng)

因模型拱尺寸較小，模擬原結(jié)構(gòu)恒載的集中力配重難以直接施加，因此，利用杠桿原理法對模型拱進(jìn)行配重，以模擬實橋恒載狀態(tài)，配重加載系統(tǒng)如圖4。

圖4 模型拱圈集中力配重加載系統(tǒng)Fig. 4 The concentrated self weight loading system on the model arch

3 試驗結(jié)果分析

3.1 模型拱圈截面上緣應(yīng)力變化

在Ⅰ工況下加載至設(shè)計值，觀測模型拱圈測試截面上緣應(yīng)力值(拉正壓負(fù))，然后在持載條件下通過PHPSA拱腳千斤頂施加預(yù)加力進(jìn)入Ⅱ工況，觀測各測試截面上緣應(yīng)力值隨拱腳預(yù)加力的變化，結(jié)果如圖5。

圖5 模型拱圈測試截面上緣應(yīng)力隨PHPSA拱腳預(yù)加力的變化Fig. 5 Variation of the upper edge normal stresses on the observed cross-sections of the model arch with the prstressing force at the PHPSA foot

由圖5所示實測值及理論值結(jié)果分析得出：

1)在Ⅰ工況加載到恒載配重設(shè)計值后，模型拱圈的拱腳截面上緣存在拉應(yīng)力值，其余L/4，3L/8，L/2截面上緣存在壓應(yīng)力值。進(jìn)入Ⅱ工況后，隨著PHPSA拱腳預(yù)加力的增加，L/4，3L/8截面上緣壓應(yīng)力呈明顯下降趨勢，證明此PHPSA加固方案對這兩個截面起到了明顯的內(nèi)力調(diào)整效果。

2)進(jìn)入Ⅱ工況后，隨著PHPSA拱腳預(yù)加力的增加，模型拱圈拱腳、L/2截面上緣壓應(yīng)力變化趨勢不明顯，這是因為：① 模型拱圈拱腳截面附近沒有布置PHPSA鋼鉸座，PHPSA拱腳預(yù)加力難以直接對模型拱圈拱腳產(chǎn)生內(nèi)力調(diào)整效應(yīng)；② 模型拱圈矢跨比較小，屬于坦拱，拱頂鋼鉸座位置預(yù)加力傳遞長度最長、摩擦損失最大且豎向分力較小，預(yù)加力對拱頂?shù)淖饔眯?yīng)不明顯。

3)3L/8，L/2截面上理論和實測值變化趨勢吻合較好，而拱腳、L/4截面理論和實測值偏離較大。后經(jīng)檢查分析，在PHPSA拱腳施加預(yù)加力時，由于千斤頂出力與PHPSA拱腳壓桿軸線對中困難，因此千斤頂?shù)姆€(wěn)定借助了千斤頂與拱腳處加設(shè)的墊塊，此墊塊在千斤頂出力時也會對拱腳有傳力作用，但其大小和方向不明，難以理論分析模擬，因此造成拱腳及附近L/4截面理論和實測值偏離較大。這一偏差應(yīng)在下一步研究中予以修正改進(jìn)。

4)模型拱圈在Ⅰ，Ⅱ工況下均處于完好彈性狀態(tài)，而圖5所示理論分析和實測應(yīng)力變化趨勢均為曲線，這是因為PHPSA鋼鉸座與模型拱圈底面黏貼鋼板之間為滑動摩擦接觸，引入了接觸非線性，在有限元數(shù)值分析中也考慮了這一實際接觸條件，導(dǎo)致理論分析和實測應(yīng)力變化趨勢均為曲線。

3.2 模型拱圈撓度變化

在Ⅰ工況下加載至設(shè)計值，觀測模型拱圈測試截面撓度值，然后在持載條件下通過PHPSA拱腳千斤頂施加預(yù)加力進(jìn)入Ⅱ工況，觀測各測試截面上撓度值隨拱腳預(yù)加力的變化，結(jié)果如圖6。

圖6 模型拱圈測試截面撓度隨PHPSA拱腳預(yù)加力的變化Fig. 6 Variation of the deflections at the observed cross-sections of the model arch changing with the prstressing force at the PHPSA foot

由圖6所示實測值及理論值結(jié)果分析得出：

1)經(jīng)PHPSA預(yù)加力作用后模型拱圈測試截面撓度值明顯小于作用前的撓度值，PHPSA拱腳預(yù)加力為20 kN時，實測相應(yīng)撓度值減少達(dá)20%～39%，證明PHPSA對調(diào)整成橋拱軸線形具有明顯效果。

2)模型拱圈測試截面撓度的理論與實測值變化趨勢平行，但數(shù)值有較明顯偏離，經(jīng)分析主要與前述3.1節(jié)所列的PHPSA拱腳千斤頂與模型拱圈拱腳段通過墊塊傳力不明、鋼鉸座與模型拱圈底面黏貼鋼板摩擦性能難以準(zhǔn)確模擬等因素有關(guān)。

3.3 模型拱圈彎曲能量分析

拱圈截面如處在理想的軸心受壓狀態(tài)，可以充分發(fā)揮截面材料的抗壓性能，其承載能力很高。而一旦實際荷載壓力線偏離了拱軸線，拱圈截面出現(xiàn)了偏心彎矩及響應(yīng)的壓力線偏心距，其抗壓承載力將隨著偏心距增大而迅速降低。因此，如何降低拱圈在成橋恒載下控制截面的不利彎矩，成為拱橋設(shè)計、施工和加固維護(hù)的共同難題[12]。為科學(xué)評估PHPSA加固方案對拱橋主拱圈不利彎矩分布的總體調(diào)整效果，需計算主拱圈彎曲能在加固前后的變化。常見彈性桿件彎曲能的表達(dá)式為：

(2)式中：U為桿件彎曲能，(kN · m)；M為桿件截面彎矩，(kN · m)；x為桿件長度方向坐標(biāo)，m；E為桿件材料彈性模量，(kN/m2)；I為桿件截面抗彎慣性矩，m4。

采用Midas結(jié)構(gòu)分析軟件建立模型拱圈有限元模型，分別求得模型拱圈在PHPSA加固前后的彎矩分布，再利用式(2)，分別計算模型拱圈在加固前后的總彎曲能，再根據(jù)模型與原型的彎曲能相似比例系數(shù)1∶11[3]，得到加固前原橋拱圈在結(jié)構(gòu)恒載下的總彎曲能為24.573 kN · m，加固(對應(yīng)模型的PHPSA拱腳預(yù)加力為20 kN)后模型拱圈在結(jié)構(gòu)恒載及預(yù)加力共同作用下的總彎曲能為4.695 kN · m，后者相比前者減少百分比為：

由此可見，PHPSA加固技術(shù)可以大幅降低拱橋主拱圈彎曲能，從而有效改善主拱圈不利彎矩分布，更加充分地利用截面材料的抗壓能力。

按照前述式(1)計算本試驗中PHPSA加固方案的效能系數(shù)，可得效能系數(shù)κ=1.76E-04 m。由于經(jīng)費和實驗條件限制，本次試驗未能進(jìn)行更多PHPSA加固設(shè)計方案的對比，這有待下一步研究工作的開展。

4 結(jié) 論

筆者就PHPSA加固技術(shù)開展新疆某舊拱橋的縮尺模型試驗研究，主要研究結(jié)論如下：

1)從加固前后模型拱圈截面的應(yīng)變對比分析可以看出，PHPSA可有效分擔(dān)拱橋結(jié)構(gòu)的恒載效應(yīng)，改善主拱圈在結(jié)構(gòu)恒載作用下的應(yīng)力狀態(tài)。

2)加固后模型拱圈控制截面在結(jié)構(gòu)恒載作用下的撓度明顯減小，說明PHPSA可有效修正拱圈的軸線線形。

3)加固后模型拱圈彎曲能量顯著降低，說明PHPSA對改善和優(yōu)化拱圈在結(jié)構(gòu)恒載作用下的彎矩分布起到了明顯作用。

PHPSA用于拱橋加固。在活載作用下PHPSA與原橋主拱圈共同受力，分擔(dān)活載效應(yīng)的性能。PHPSA加固技術(shù)的預(yù)應(yīng)力損失計算，以及PHPSA鋼鉸座與原橋主拱圈底面黏貼鋼板滑動摩擦接觸的模擬等，都還有待下一步深入研究。

[1] 彭凱，程浩，魏文財，等. 拱橋加固型組合拱圈：201110241656.9[P]. 2014-07-02.

PENG Kai, CHENG Hao, WEI Wencai, et al.CombinedArchRingforStrengtheningofArchBridges：201110241656.9[P]. 2014-07-02.

[2] 林陽子，黃僑，任遠(yuǎn). 拱橋拱軸線的優(yōu)化與選形[J]. 公路交通科技, 2007, 24(3)：59-63.

LIN Yangzi, HUANG Qiao, REN Yuan. Optimization and selection of arch bridge axis[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2007, 24(3)：59-63.

[3] 李井輝，周厚斌，熊旭. 拱橋拱軸線兩種優(yōu)化方案比較[J]. 中外公路, 2008, 28(5)：163-166.

LI Jinghui, ZHOU Houbin, XIONG Xu. Comparison of two optimization plans for the arch axes of arch bridges[J].JournalofChina&ForeignHighway, 2008, 28(5)：163-166.

[4] 張佳. 拱軸線偏差對既有鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)行為影響的研究[D].成都：西南交通大學(xué), 2011.

ZHANG Jia.StudiesontheInfluencetotheExistedReinforcedConcreteArchBridgeStructureBehaviorofArchAxisVariation[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University, 2011.

[5] 陳生華. 石拱橋拱軸線偏位病害分析及加固方法研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué), 2009.

CHEN Shenghua.StudyontheDeviationoftheArchAxisandStrengtheningMethodoftheStoneArchBridge[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University, 2009.

[6] 劉山洪，李放，袁長紅. 拱軸線橫向偏離對拱圈靜力行為影響[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 26(1)：14-18.

LIU Shanhong，LI Fang，YUAN Changhong. Influences of transverse bias of arch axis on the arch ring behavior under static loads[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2007, 26(1)：14-18.

[7] 周建庭，鄧智，袁瑞，等. 劣化拱軸線大跨石拱橋拱上建筑調(diào)載工序研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 29(1)：16-19.

ZHOU Jianting，DENG Zhi，YUAN Rui，et al. Adjusting load process of spandrel construction for large-span stone arch bridge with deteriorated arch axis[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2010, 29(1)：16-19.

[8] 陳常明，楊玉鳳，張連鋒. 箱形拱橋拱軸線偏位內(nèi)力影響分析[J]. 公路, 2013(8)：117-121.

CHEN Changming, YANG Yufeng, ZHANG Lianfeng. Internal force effect analysis for the arch axis deviation in arch bridges[J].Highway, 2013(8)：117-121.

[9] 喬奮義. 預(yù)應(yīng)力折線形鉸接鋼拱加固拱橋技術(shù)研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué), 2014.

QIAO Fenyi.ResearchonEnhancementofArchBridgeswithHingedPiecewiseSteelArchRings[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University, 2014.

[10] 章關(guān)永. 橋梁結(jié)構(gòu)試驗[ M] 北京：人民交通出版社, 2010.

ZHANG Guanyong.StructuralTestofBridge[M]. Beijing：China Communications Press, 2010.

[11] 過鎮(zhèn)海. 鋼筋混凝土原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2013.

GUO Zhenhai.PrinciplesofReinforcedConcrete[M]. Beijing：Tsinghua University Press, 2013.

[12] 王貴明，彭文平，周超. 木蓬大橋高溫合龍效應(yīng)下拱圈內(nèi)力調(diào)整研究[J]. 世界橋梁，2015(6)：42-46.

WANG Guiming, PENG Wenping, ZHOU Chao. Study of internal force adjustment for arch ribs of mupeng bridge under high temperature closure effect[J].WorldBridges, 2015(6)：42-46.

(責(zé)任編輯：朱漢容)

Strengthening Technique of Prestressing Hinged Piecewise Steel Arches for Arch Bridges

PENG Kai1,QIAO Fenyi2,JIA Xiaofei3

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. Guangdong Nanyue Transportation Investment & Construction Co. Ltd., Guangzhou 510101, Guangdong, P. R. China; 3. Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co. Ltd., Shenzhen 518029, Guangdong, P. R. China)

A scale-down RC structure model of the arch rib from an old bridge in Xinjiang province was designed and fabricated, then the model was tested and numerically simulated under the loading of structural self weight, respectively with or without the strengthening process by means of a prestressing hinged piecewise steel arch (PHPSA). The variation conditions of indicators, such as the stress, the deflection of controlling cross-sections and the bending energy of the arch model, were comparatively investigated before and after strengthening. The test results indicate that, the overall normal stress levels on the controlling cross-sections of the arch model after strengthening decrease a lot compared with those before strengthening; the PHPSA method could effectively modify the deformed axis of the arch model under the structural self weight; furthermore, the bending energy of the arch model after strengthening goes down by 81%. In general, the PHPSA used to strengthen the arch model effectively shares the structural internal forces and optimizes the structural stress condition under self weight, thus it greatly promotes the compressive carrying capacity of the arch under live load. This strengthening technique has a significant effect on those spandrel arch bridges with poor shapes of arch axes or in undue stress conditions under structural self weight loadings, so it makes a good choice for the technical decision on the rehabilitation of worn arch bridges.

bridge engineering; arch bridge strengthening; prestressing hinged piecewise steel arches (PHPSA); internal force optimization; arch axis modification; bending energy

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.03

2016-03-21；

2016-05-21

彭 凱(1974—)，男，重慶忠縣人，副教授，碩士，主要從事橋梁及結(jié)構(gòu)工程方面的研究。E-mail：piqueuni@163.com。

TU375.5

A

1674-0696(2017)04-012-06