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拱桥加固改造研究

 拱桥加固改造研究

  摘 要:本文阐述了配重法的理论依据和方法,结合工程实例,说明其具体的实施方法,并通过数值计算结果验证了配重法所取得的效果,可为同类拱桥的加固改造提供有益的参考。

  关键词:拱桥;加固改造;

  1前言

  拱桥是一种比较常见的桥梁型式,尤其是山区公路桥梁,因地质和地形条件较适合,拱桥一般是优先考虑的既美观又经济的桥型。据统计,我国有百分之七十的公路桥梁为拱桥,约占世界同类拱桥的三分之一以上。因此,在我国当前数以万计的危旧桥梁中,有大量的拱桥需要进行加固改造,其中有重要路段的大跨度拱桥。在常用的拱桥维修加固技术中,减轻恒载法和增大截面和配筋加固的方法比较常见,而本人在对某些拱桥进行维修加固改造的实践中,深感配重法在危旧拱桥加固改造中能明显改善拱圈内力、提高加固效果的作用,本文通过这方面的研究,为今后的类似工作提供参考。

  2理论依据和方法

  悬链线空腹拱的拱轴是利用与恒载压力线在拱顶、拱脚及L/4处五点重合的方法决定的,除此五点外,其他各点均与压力线有偏离。由结构力学知,压力线与拱轴线的偏离会在拱中产生附加内力。对于静定三铰拱,各截面的偏离弯矩值Mp可以三铰拱的压力线与拱轴线在该截面的偏离弯矩值△y表示(Mp=Hg•△y);对于无铰拱,其偏离弯矩的大小,以该偏离弯矩Mp荷载,算出无铰拱的偏离弯矩值。计算简图如图1。  

  图1无铰拱偏离内力计算图式

  荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为:

  (1)

  (2)

  式中:Mp为三铰拱荷载压力线偏离拱轴线所产生的弯矩,Mp=Hg•Δy,=1,=-y;Δy为三铰拱恒载压力线与拱轴线的偏离值。

  由图1可知,任意截面的偏离弯矩、偏离轴力和偏离剪力为:

  ΔM=ΔXl—ΔX2y+Mp(3)

  ΔN=X2cosφ(4)

  △Q=X2•sinφ(5)

  式中:y为以弹性中心为原点(向上为正)的拱轴线纵坐标。

  由式(3)、(4)和(5)可知:偏离附加内力的大小与荷载的具体布置有关。据此,可以在需要的位置,施加必要的荷载来调整偏心附加内力的大小。

  对于危旧拱桥,其拱轴线的形状不仅直接影响主拱圈的内力分布和截面应力的大小,而且与结构的耐久性(开裂影响)、经济合理性及施工安全等有着密切关系。对于主拱圈变形太大的拱桥,实际拱轴线与压力线的偏离比较大,此时如果只是采用对拱圈截面进行补强加固,已不能有效地改善主拱圈的受力状况,这就需要对拱轴线和压力线进行调整,使之尽量吻合以改善主拱圈的受力。一般通过采用不同单位重的拱上填料、改变拱上填料厚度或者在主拱拱背上增加配重等措施,改变实际压力线的位置,使其与拱轴线吻合。但此时必须考虑到拱圈的承受能力,要首先进行详细的计算,以便确定合理的调整方案,防止不恰当地增加拱上恒载,危及整个结构的安全。而对于大跨度拱桥,在不影响全桥的安全性的情况下,拱背施加配重的方法是一个较好的选择。

  3工程实例

  以两座不同类型的拱桥加固改造实例进行数值分析,具体说明配重法的实施过程及所达到的效果。

  3.1实例1

  3.1.1工程概述

  湖南省某桥全桥长204米,主桥净跨为2×50m石拱桥,主拱圈截面为板拱,板厚lm,于70年代末建成通车,主桥布置如图2所示。当时设计荷载为汽车-15级,挂车-80。经过多年的运营,该桥桥面破碎,人行道和栏杆破损,加之该桥紧挨县城,随着该县经济的发展,原有的荷载等级不能满足现在的通行要求,拟将荷载设计等级提高为汽车-2O级,挂车-100。  

  图2石拱桥主桥结构布置图

  3.1.2实施方法及达到的效果

  根据加固改造方案,桥梁在汽车-20级,挂车-100荷载等级下,仅拱脚截面的下缘出现拉应力。经数值计算,在两拱第二横墙以下拱圈部分施加对称的配重(材料选用5号浆砌片石),如图2所示。

  在汽车-20荷载作用下,主桥在配重前后的内力计算用有限元程序进行,表1列出了拱圈在恒载作用下的拱脚、L/4截面和拱顶截面的内力在施加配重前后的对比。

  表1配重前后拱圈恒载内力比较(单位:弯矩:kN•m;轴力kN;应力MPa)

  注:应力值为恒栽十汽车十温升的荷栽组合作用下的应力值。弯矩和轴力值为恒栽作用下的内力值,轴力以拉为正,以压为负。表中“一“表示该项没有计算。 

  从表1中可以清楚地看出,在未加配重前,拱脚截面的弯矩为1953.3kN•m,配重后,恒载弯矩减小为651.95kN•m,减小幅度达66.62%;轴力在未加配重前拱脚截面为16597.8kN,施加配重后拱脚截面的轴力为17525.1kN,仅增大不到6%。拱顶截面弯矩减小幅度更是达到了一倍以上,而相应的轴力仅增大2.22%。应力方面:未施加配重前,拱脚下缘的拉应力为1.1953MPa,施加配重后,拱圈全截面基本受压,而全拱圈在最不利荷载组合下的最大压应力为4.08MPa,也就是说,在施加配重后,即使在增大拱圈恒载的基础上,截面的最大压应力也满足规范要求。由此可见,施加配重后,压力线与拱轴线的偏离被显著地减小了,取得了非常明显的效果。

  3.2实例2

  3.2.1工程概述

  湖南省某特大桥全长800米、桥面纵坡为2.5%的坡拱桥,于90年代初建成通车。主桥为2孔130米箱形板拱,箱高1.8米,上部设双柱式排架支承纵梁,并配横向分布的桥面板。引桥为7孔63米的单箱肋拱,箱高1.4米,上部设双柱式排架支承纵梁,并配横向分布的桥面板,主桥结构布置图如图3所示。设计荷载为汽-20、挂-103。近年发现该桥出现较多裂缝,行车时震感强烈,对该大桥进行了验算,该桥存在主、引桥主拱圈强度不够以及引桥稳定性不够两方面的问题,结构不安全,需要进行结构加固。

  主桥左、右两半拱的拱轴系数均偏离原设计的理论值,表现为左半拱的拱轴系数减小,右半拱的拱轴系数增大(即左半拱变坦,右半拱变陡);对第二孔而言,差异还很大。因此造成左半拱拱脚的恒载负弯矩比右半拱拱脚大很多,导致左半拱拱脚验算不易通过。为此需要在主桥的右半拱采用不对称压重的方法,来减小左半拱拱脚的恒载负弯矩,增大右半拱拱脚的恒功负弯矩,使两处拱脚的恒载内力趋于接近,然后通过进一步增强拱圈截面,达到对结构进行维修加固的目的。

  3.2.2实施方法及达到的效果

  配重位置如图3所示。具体实施过程中,为保证配重施加的效果又考虑到主桥结构的安全,分为两期施加配重。首先对已有的裂缝缺陷进行治理,同时进行浇筑墩上加强系梁后,再对主桥拱圈施加第一期不对称永久压重。其次对拱座、拱圈进行截面补强(增加受力主筋,浇筑补强混凝土)后,施加第二期不对称压重,以调整拱圈内力。这样既达到了施加配重,调整拱圈内力的结果,又不至因增大恒载,造成对结构安全的危害。 

  图3主桥结构布置图示意图

  表2是仅仅施加第一期压重(不对拱圈进行补强)的前后拱圈内力情况的对比。

  表2第一期压重前后拱圈截面弯矩比较(单位:kN•m) 

  由表2可以看出,在对主桥主拱圈施加第一期不对称永久压重后,拱脚截面的内力得到了明显改善,最大可达52%以上。

  4结语

  在有大量拱桥需要进行维修加固的今天,如何积极地引进和开发旧桥加固、改造的先进技术,更合理地确定加固、改造方案,使得危桥、旧桥能尽可能长地发挥作用,对于将有限建设资金发挥更大效益有着重要的意义。实践表明,配重法能明显地改善拱圈内力,将压力线与拱轴线的偏离明显减小,在拱桥加固、改造的过程中不失为一种可付诸实践、值得借鉴的方法。 

  参考文献

  [1]杨文渊,徐辑.桥梁维修与加固[M].北京:人民交通出版社,1994.

  [2]郭永琛等.桥梁技术改造[M].北京:人民交通出版社,1991.

  [3]姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2002.

  [4]范立础.桥梁工程(下册)[M].北京:人民交通出版社,1996.

  [5]谌润水,胡钊芳,帅长斌.公路旧桥加固技术与实例[M].北京:人民交通出版社,2002.   

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