圬工拱橋加固中合理加載次序方法研究
2015-05-29
石拱橋是超靜定結(jié)構(gòu)，超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)受外界因素（荷載、支座位移等）影響顯著。早期石拱橋通常采用砂漿砌筑，拱式結(jié)構(gòu)充分利用了石料的抗壓性能，但其抗彎拉性能差，對于本身存在病害石拱橋，其加固過程中處于不利狀態(tài)，尤其是加固次序方面。因加固次序不合理而引起的拱橋垮塌事故也時有發(fā)生。因此，石拱橋合理的加固與加載次序是值得研究的課題，對保證該類結(jié)構(gòu)加固施工過程中的安全性具有重要的工程意義。本文以一座實腹式石拱橋加固為例，利用彎矩影響線加載法和偏心距影響線加載法相結(jié)合的方法，提出該橋合理加、卸載次序，對同類橋梁的加固次序設(shè)計具有借鑒意義。
1 橋梁合理加、卸載次序設(shè)計方法
1.1 石拱橋承載能力與合力偏心距e的關(guān)系
對于圬工拱橋，規(guī)范[1]規(guī)定，根據(jù)偏心距在不同范圍采用不同的方法、公式計算拱圈截面的承載能力，具體規(guī)定及公式詳見規(guī)范[1]。當(dāng)偏心距e≤（容許偏心距）時，可認(rèn)為拱圈全截面受壓；當(dāng)偏心距e>時，截面一側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，鑒于圬工拱橋拱圈抗拉性能弱，因此，從安全角度考慮，當(dāng)e>時，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是不安全的，承載能力已不滿足要求。綜合以上分析，可以將截面偏心距e作為判斷圬工拱橋承載能力的一個重要指標(biāo)。
1.2 基于彎距影響線加載法和偏心距影響線加載法確定拱上建筑合理加、卸載次序的提出
鑒于石拱橋的受力特性，一般情況下，控制截面——拱腳截面處于小偏心狀態(tài)，僅在數(shù)值上考慮截面彎矩相比軸力小很多。加、卸載過程中截面彎矩變化相對幅值較軸力變化相對幅值大很多，所以，石拱橋加、卸載過程中截面偏心距的變化主要是由彎矩控制的?？梢岳脧澗赜绊懢€加載法判斷截面偏心距的變化趨勢。偏心距影響線可以作為一個輔助工具。
對于實腹式石拱橋加固中合理加、卸載次序設(shè)計可以分一下幾步：1）計算原橋狀態(tài)控制截面的彎矩、軸力和偏心距；2）繪制控制截面的彎矩、軸力和偏心距影響線；3）基于影響線加載法，確定拱上建筑拆除、重建過程及區(qū)段劃分，提出合理施工順序；4）通過有限元軟件驗證工序的可行性。
2 工程實例
2.1 橋梁概況
重慶市某縣福耳橋，位于S303線開綦路（開縣—萬州），是一座實腹式石拱橋，全橋長18.0m，橋跨布置為1×12.0m，凈矢高為2.7m，主拱圈厚0.5m，寬7.8m；上部橋面布置為：6.2m（行車道）+2×1.1m（路緣）。
2.2 橋梁病害與加固方案
2.2.1 橋梁病害與現(xiàn)狀評定
根據(jù)檢測報告，福耳橋主要病害如下：
1）主拱圈：存在1條縱向貫通裂縫，裂縫長度約為12m,裂縫最大寬度約為3-4cm；砂漿脫落，滲水泛堿嚴(yán)重；拱腳塊石嚴(yán)重錯動；2）側(cè)墻：開縣側(cè)側(cè)墻鼓出，開裂；3）欄桿：欄桿局部破損。
因該橋主要承重構(gòu)件——主拱圈病害嚴(yán)重，利用《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011）評定該橋為五類橋梁。需要對該橋進(jìn)行加固維修。
2.2.2 橋梁加固方案
針對該橋梁現(xiàn)狀，本橋采用增大截面法加固主拱圈，采用增大截面法（變截面）加固主拱圈，在增加了結(jié)構(gòu)整體承載能力的同時，會引起拱圈結(jié)構(gòu)剛度分布發(fā)生變化，在同樣荷載作用下，剛度分布發(fā)生改變后的拱圈與原拱圈內(nèi)力分布不同。這樣就存在拱圈加固施工和拱上建筑施工順序的組合問題，不同組合順序?qū)庸淌┘庸毯蠊ぶ泻统蓸驙顟B(tài)的內(nèi)力分布有顯著影響。而本橋施工中加固主拱圈階段已經(jīng)固定，在拆除拱上建筑及橋面系之后，在重建拱上建筑及橋面系之前，同時采用等截面加固主拱圈，不存在剛度重分布問題。因此，本文重點研究加固前拆除拱上建筑和橋面系以及加固后重建拱上建筑和橋面系次序問題。
加固前對開縣福耳橋進(jìn)行了承載能力驗算，自重作用下拱腳截面的彎矩M=-315.68 KN.m，軸力N=-5178.70 KN，偏心距e=0.06，截面容許偏心距=0.15。該橋拱頂處拱上填料和橋面鋪裝共1.45m高，考慮到施工拆除過程的便利性，決定全拱可以先均勻拆除一定厚度的填料及鋪裝，從偏心距影響線可知此過程將會增大截面偏心距；從彎矩影響線上可知，全拱均勻卸載會使拱腳截面彎矩值減小，結(jié)合初始狀態(tài)的彎矩和軸力，可知此過程會增大截面偏心距，利用彎矩影響線和偏心距影響線得出的結(jié)果是一致的。均勻卸載會增大截面偏心距，這對拱腳截面是不利的，所以要確定一個合適的拆除厚度。筆者初定拆除1m高度的全拱填料，計算得到拆除后截面偏心距從0.06變化為0.11，在容許偏心距范圍內(nèi)，截面承載能力滿足要求。此時拱腳截面彎矩M=-351.48 KN.m,軸力N= -3207.36KN。為了控制截面偏心距不超過容許偏心距，下一個節(jié)段的拆除應(yīng)產(chǎn)生正的彎矩增量，使負(fù)彎矩的絕對值減小。對稱拆除拱腳至八分之一區(qū)段或?qū)ΨQ拆除八分之一至四分之一區(qū)段均會達(dá)到該效果，但考慮到拱橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，確定先對稱拆除八分之一至四分之一區(qū)段，此階段計算得到拆除后拱腳截面偏心距從0.11變化為0.07，彎矩M=-187.67KN.m,軸力N= -2579.63 KN。然后在對稱拆除拱腳至八分之一區(qū)段，拱腳截面偏心距從0.07變化為-0.11。最后拆除四分之一至四分之三區(qū)段拱頂填料，拱腳截面偏心距從-0.11變化為-0.02。拱腳截面偏心距變化趨勢和利用彎矩影響線判斷的結(jié)果完全符合。最終確定的拆除順序為：
1）從拱腳至拱頂對稱拆除1m高度全拱橋面系及拱上填料；
2）對稱拆除拱上1/4～1/8區(qū)段填料及側(cè)墻；
3）對稱拆除拱上1/8～拱腳區(qū)段填料及側(cè)墻；
4）對稱拆除拱頂區(qū)段填料及側(cè)墻；
拱圈加固后拱上建筑及橋面系的重建次序包括拱上側(cè)墻的砌筑順序、拱上填料的填筑順序。在拱上側(cè)墻和填料施工完成后再進(jìn)行橋面系的施工。
[文獻(xiàn)2]指出砌筑實腹式拱的拱上建筑砌體時，應(yīng)將側(cè)墻等拱上砌體分成幾部分，由拱腳向拱頂對稱地作臺階式砌筑。拱腹填料可隨側(cè)墻砌筑順序及進(jìn)度進(jìn)行填筑。填料數(shù)量較大時，宜在側(cè)墻砌筑完成后再分部進(jìn)行填筑。本橋采用側(cè)墻砌筑完成再填筑填料的方案，側(cè)墻砌筑順序采用[文獻(xiàn)2]的順序。從影響線加載法角度考慮該砌筑順序是合理的。
拱上側(cè)墻砌筑工作完成后，進(jìn)行拱上填料的填筑工作。利用彎矩和偏心距影響線加載法確定拱上填料的填筑順序，同時考慮施工的可能性。
通過驗算，采用該順序施工拱上填料過程中，拱腳截面偏心距e均小于容許偏心距，拱橋處于安全狀態(tài)。最后進(jìn)行橋面系施工
3結(jié)語
本文提出利用彎矩影響線加載法和偏心距影響線加載法相結(jié)合的方法對實腹式石拱橋拱上建筑加、卸載過程進(jìn)行調(diào)整，保障施工過程的安全性。實例橋梁的應(yīng)用效果表明該方法是有效的。
