圬工拱桥加固中合理加载次序方法研究
2015-05-29
石拱桥是超静定结构，超静定结构内力状态受外界因素（荷载、支座位移等）影响显著。早期石拱桥通常采用砂浆砌筑，拱式结构充分利用了石料的抗压性能，但其抗弯拉性能差，对于本身存在病害石拱桥，其加固过程中处于不利状态，尤其是加固次序方面。因加固次序不合理而引起的拱桥垮塌事故也时有发生。因此，石拱桥合理的加固与加载次序是值得研究的课题，对保证该类结构加固施工过程中的安全性具有重要的工程意义。本文以一座实腹式石拱桥加固为例，利用弯矩影响线加载法和偏心距影响线加载法相结合的方法，提出该桥合理加、卸载次序，对同类桥梁的加固次序设计具有借鉴意义。
1 桥梁合理加、卸载次序设计方法
1.1 石拱桥承载能力与合力偏心距e的关系
对于圬工拱桥，规范[1]规定，根据偏心距在不同范围采用不同的方法、公式计算拱圈截面的承载能力，具体规定及公式详见规范[1]。当偏心距e≤（容许偏心距）时，可认为拱圈全截面受压；当偏心距e>时，截面一侧出现拉应力，鉴于圬工拱桥拱圈抗拉性能弱，因此，从安全角度考虑，当e>时，认为结构是不安全的，承载能力已不满足要求。综合以上分析，可以将截面偏心距e作为判断圬工拱桥承载能力的一个重要指标。
1.2 基于弯距影响线加载法和偏心距影响线加载法确定拱上建筑合理加、卸载次序的提出
鉴于石拱桥的受力特性，一般情况下，控制截面——拱脚截面处于小偏心状态，仅在数值上考虑截面弯矩相比轴力小很多。加、卸载过程中截面弯矩变化相对幅值较轴力变化相对幅值大很多，所以，石拱桥加、卸载过程中截面偏心距的变化主要是由弯矩控制的。可以利用弯矩影响线加载法判断截面偏心距的变化趋势。偏心距影响线可以作为一个辅助工具。
对于实腹式石拱桥加固中合理加、卸载次序设计可以分一下几步：1）计算原桥状态控制截面的弯矩、轴力和偏心距；2）绘制控制截面的弯矩、轴力和偏心距影响线；3）基于影响线加载法，确定拱上建筑拆除、重建过程及区段划分，提出合理施工顺序；4）通过有限元软件验证工序的可行性。
2 工程实例
2.1 桥梁概况
重庆市某县福耳桥，位于S303线开綦路（开县—万州），是一座实腹式石拱桥，全桥长18.0m，桥跨布置为1×12.0m，净矢高为2.7m，主拱圈厚0.5m，宽7.8m；上部桥面布置为：6.2m（行车道）+2×1.1m（路缘）。
2.2 桥梁病害与加固方案
2.2.1 桥梁病害与现状评定
根据检测报告，福耳桥主要病害如下：
1）主拱圈：存在1条纵向贯通裂缝，裂缝长度约为12m,裂缝最大宽度约为3-4cm；砂浆脱落，渗水泛碱严重；拱脚块石严重错动；2）侧墙：开县侧侧墙鼓出，开裂；3）栏杆：栏杆局部破损。
因该桥主要承重构件——主拱圈病害严重，利用《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）评定该桥为五类桥梁。需要对该桥进行加固维修。
2.2.2 桥梁加固方案
针对该桥梁现状，本桥采用增大截面法加固主拱圈，采用增大截面法（变截面）加固主拱圈，在增加了结构整体承载能力的同时，会引起拱圈结构刚度分布发生变化，在同样荷载作用下，刚度分布发生改变后的拱圈与原拱圈内力分布不同。这样就存在拱圈加固施工和拱上建筑施工顺序的组合问题，不同组合顺序对加固施加固后工中和成桥状态的内力分布有显著影响。而本桥施工中加固主拱圈阶段已经固定，在拆除拱上建筑及桥面系之后，在重建拱上建筑及桥面系之前，同时采用等截面加固主拱圈，不存在刚度重分布问题。因此，本文重点研究加固前拆除拱上建筑和桥面系以及加固后重建拱上建筑和桥面系次序问题。
加固前对开县福耳桥进行了承载能力验算，自重作用下拱脚截面的弯矩M=-315.68 KN.m，轴力N=-5178.70 KN，偏心距e=0.06，截面容许偏心距=0.15。该桥拱顶处拱上填料和桥面铺装共1.45m高，考虑到施工拆除过程的便利性，决定全拱可以先均匀拆除一定厚度的填料及铺装，从偏心距影响线可知此过程将会增大截面偏心距；从弯矩影响线上可知，全拱均匀卸载会使拱脚截面弯矩值减小，结合初始状态的弯矩和轴力，可知此过程会增大截面偏心距，利用弯矩影响线和偏心距影响线得出的结果是一致的。均匀卸载会增大截面偏心距，这对拱脚截面是不利的，所以要确定一个合适的拆除厚度。笔者初定拆除1m高度的全拱填料，计算得到拆除后截面偏心距从0.06变化为0.11，在容许偏心距范围内，截面承载能力满足要求。此时拱脚截面弯矩M=-351.48 KN.m,轴力N= -3207.36KN。为了控制截面偏心距不超过容许偏心距，下一个节段的拆除应产生正的弯矩增量，使负弯矩的绝对值减小。对称拆除拱脚至八分之一区段或对称拆除八分之一至四分之一区段均会达到该效果，但考虑到拱桥结构整体稳定性，确定先对称拆除八分之一至四分之一区段，此阶段计算得到拆除后拱脚截面偏心距从0.11变化为0.07，弯矩M=-187.67KN.m,轴力N= -2579.63 KN。然后在对称拆除拱脚至八分之一区段，拱脚截面偏心距从0.07变化为-0.11。最后拆除四分之一至四分之三区段拱顶填料，拱脚截面偏心距从-0.11变化为-0.02。拱脚截面偏心距变化趋势和利用弯矩影响线判断的结果完全符合。最终确定的拆除顺序为：
1）从拱脚至拱顶对称拆除1m高度全拱桥面系及拱上填料；
2）对称拆除拱上1/4～1/8区段填料及侧墙；
3）对称拆除拱上1/8～拱脚区段填料及侧墙；
4）对称拆除拱顶区段填料及侧墙；
拱圈加固后拱上建筑及桥面系的重建次序包括拱上侧墙的砌筑顺序、拱上填料的填筑顺序。在拱上侧墙和填料施工完成后再进行桥面系的施工。
[文献2]指出砌筑实腹式拱的拱上建筑砌体时，应将侧墙等拱上砌体分成几部分，由拱脚向拱顶对称地作台阶式砌筑。拱腹填料可随侧墙砌筑顺序及进度进行填筑。填料数量较大时，宜在侧墙砌筑完成后再分部进行填筑。本桥采用侧墙砌筑完成再填筑填料的方案，侧墙砌筑顺序采用[文献2]的顺序。从影响线加载法角度考虑该砌筑顺序是合理的。
拱上侧墙砌筑工作完成后，进行拱上填料的填筑工作。利用弯矩和偏心距影响线加载法确定拱上填料的填筑顺序，同时考虑施工的可能性。
通过验算，采用该顺序施工拱上填料过程中，拱脚截面偏心距e均小于容许偏心距，拱桥处于安全状态。最后进行桥面系施工
3结语
本文提出利用弯矩影响线加载法和偏心距影响线加载法相结合的方法对实腹式石拱桥拱上建筑加、卸载过程进行调整，保障施工过程的安全性。实例桥梁的应用效果表明该方法是有效的。
