黃慶祥

(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原030006)

石拱橋具有造型美觀、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。在改革開放初期,我國在縣道、鄉(xiāng)道上修建了大量的石拱橋以發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過近三十年的運(yùn)營,由于交通量不斷加大和材料老化等原因,眾多石拱橋存在不同程度的承載能力不足、長期帶病工作的現(xiàn)象,部分橋梁甚至成為了危橋,嚴(yán)重影響交通安全[1-2]。而對這部分橋梁進(jìn)行拆除重建會(huì)對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響。因此,對該部分橋梁進(jìn)行長期健康監(jiān)控,并對已有病害橋梁進(jìn)行加固改造是必要的。本文基于石拱橋的增大截面法加固計(jì)算,借助有限元法計(jì)算加固后橋梁主拱圈的內(nèi)力,分析拱軸線變形對橋梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算的影響,總結(jié)現(xiàn)有計(jì)算方法的不足并提出初步的改進(jìn)措施,為今后該類橋梁的加固設(shè)計(jì)工作提供一定參考。對主拱圈采用噴射混凝土、現(xiàn)澆混凝土、外包混凝土等均屬于此類方法。該方法主要針對主拱圈開裂或發(fā)生拱軸線變形等病害引起的整個(gè)結(jié)構(gòu)承載力不足或構(gòu)件局部功能損失而采用的加固措施。增大截面法造價(jià)低廉,不用中斷交通,因此廣泛應(yīng)用于橋跨凈空滿足要求的石拱橋[3-4]。圖1為增大截面加固法加固簡圖。

圖1 增大截面法加固示意

1 石拱橋常用加固方法及計(jì)算原理

石拱橋加固以增大主拱圈截面積的方法為主。

現(xiàn)階段,常用的危舊拱橋內(nèi)力分析一般根據(jù)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行,在確定了跨度、矢高及拱軸系數(shù)后,只要帶入相應(yīng)的計(jì)算公式中就可以計(jì)算出拱圈主要截面的內(nèi)力;然后根據(jù)缺損狀態(tài)對截面的承載能力進(jìn)行折減。通過折減后的承載能力與目標(biāo)承載能力的比較即可算出需要加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。該方法即為傳統(tǒng)的加固設(shè)計(jì)流程。

目前對于石拱橋加固設(shè)計(jì)的計(jì)算仍然按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。計(jì)算中結(jié)構(gòu)的截面特性采用加固后的新截面,主拱圈的線形數(shù)據(jù)仍然采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。對于中、小跨徑石拱橋,該計(jì)算不會(huì)引起較大誤差[7]。但對于跨度較大、且橋梁病害較嚴(yán)重的拱橋,該計(jì)算方法存在一定局限性。

主拱圈的開裂等病害往往伴隨著主拱圈的變形,由于增大截面法是在已有病害橋梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固。當(dāng)主拱圈發(fā)生嚴(yán)重變形時(shí),加固材料仍沿著變形的拱軸線進(jìn)行施工,因此加固后的主拱圈線形仍然不是最初設(shè)計(jì)的拱軸線[8]。該微小差異可能對主拱圈內(nèi)力有較大的影響,繼而影響到加固效果。

因此對擁有較嚴(yán)重病害的橋梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì),除了參考初始設(shè)計(jì)資料外,需要精確地測量主拱圈線形。通過實(shí)測線形來計(jì)算拱橋的內(nèi)力分布特征能夠更好地把握控制截面的受力狀態(tài),提高加固的效果。以下通過對一拱橋的實(shí)際檢測結(jié)果和加固方案進(jìn)行計(jì)算,分析比較主拱圈初始變形對加固后結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

2 考慮初始變形的計(jì)算分析

2.1 初始變形對自重內(nèi)力的影響

某石拱橋?yàn)橹骺?5 m,矢跨比為0.26的懸鏈線石砌拱橋。主拱圈厚1.2 m,寬8.5 m;拱上建筑為左右對稱的4個(gè)腹拱,跨中實(shí)腹段長15 m,主拱圈為MU60石材,拱上立柱主要材料為MU40石材,橋梁結(jié)構(gòu)見圖2。外觀檢查發(fā)現(xiàn),該橋拱頂出現(xiàn)較嚴(yán)重的橫向裂縫,且下?lián)线_(dá)到0.13 m。主拱圈嚴(yán)重變形,變形后的線性示意圖見圖3,大多數(shù)存在主拱圈變形病害的拱橋?yàn)榇祟愖冃巍，F(xiàn)計(jì)劃對該橋進(jìn)行加固以保證其滿足公路-Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn),采用拱底全噴漿織鋼筋網(wǎng)加固方法,噴漿厚度達(dá)150 mm。

圖2 橋型布置圖

圖3 主拱圈變形示意

對是否考慮主拱圈初始變形分別進(jìn)行計(jì)算,比較兩種計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)。本計(jì)算采用Midas Civil進(jìn)行模擬,主拱圈采用梁單元模擬,重度 γ=24 kN/m3;彈性模量E=7 300 MPa;通過對梁單元坐標(biāo)位置調(diào)整來模擬主拱圈的初始變形。由于本文主要討論主拱圈的內(nèi)力狀況,因此拱上建筑及橋面系的重力均簡化為荷載直接施加于主拱圈上,如圖4所示?？刂平孛嫒」澳_ 、L/4、拱頂 、3/4L 處 。

圖4 主拱圈模型

表1和表2顯示了不考慮初始變形和考慮初始變形加固后主拱圈各控制截面應(yīng)力,其中壓應(yīng)力為負(fù)。其中可看出,是否考慮初始變形對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較大。兩種計(jì)算方法下拱腳截面拱腹應(yīng)力差異為5%～10%;L/4截面應(yīng)力差異為5%;而拱頂截面應(yīng)力出現(xiàn)成倍數(shù)的差異。對于拱背應(yīng)力,拱腳處應(yīng)力差異小于5%;L/4處為10%左右;拱頂為6%。

表1 自重作用下拱腹應(yīng)力 單位:MPa

表2 自重作用下拱背應(yīng)力 單位:MPa

該計(jì)算結(jié)果表明,是否考慮拱軸線變形對主拱圈內(nèi)力計(jì)算有較大影響,按照圖3所示的變形曲線計(jì)算會(huì)在拱頂截面產(chǎn)生附加正彎矩,因此拱腹存在較大拉應(yīng)力,有可能使主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫?？紤]初始變形所計(jì)算的L/4處應(yīng)力較不考慮初始變形的小,其原因?yàn)樽灾刈饔迷谧冃魏蟮脑撎幗孛嫔袭a(chǎn)生了負(fù)彎矩,這對按設(shè)計(jì)拱軸線計(jì)算所得的正彎矩進(jìn)行卸載,因此初始變形對L/4截面的承載能力有一定提高。為提高加固后橋梁的安全系數(shù),該處設(shè)計(jì)能力可采用初始變形計(jì)算所得值。拱腳截面的應(yīng)力變化值較小,滿足5%的誤差變化要求,因此對于普通拱橋加固計(jì)算可忽略初始變形對該處應(yīng)力的影響。

2.2 初始變形對活荷載響應(yīng)的影響

石拱橋的自重荷載在其所受荷載中占有相當(dāng)大的比例,因此車道荷載造成的主拱圈內(nèi)力分布特點(diǎn)同以上計(jì)算的自重內(nèi)力結(jié)果類似,在此不在贅述。以下僅對車輛荷載進(jìn)行計(jì)算,分析關(guān)鍵截面處的撓度變化特點(diǎn)?；詈奢d為兩輛30 t重的車輛;先計(jì)算出控制截面的影響線,再按影響線最不利位置對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,計(jì)算拱頂和L/4處的撓度,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 活荷載作用下控制截面撓度 單位:mm

從表3中可以看出,對于拱頂截面,不考慮初始的撓度小于考慮初始變形的撓度,兩者相差約為8%;對于L/4截面,不考慮初始變形的撓度大于考慮初始變形的撓度,兩者相差約為8%。與自重狀態(tài)下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果類似,不考慮初始變形對于拱頂位置的設(shè)計(jì)計(jì)算是不安全的,但對于L/4位置處的主拱圈計(jì)算是偏安全的。

計(jì)算分析結(jié)果表明,圖3形式的主拱圈初始變形對拱橋的內(nèi)力計(jì)算有一定影響,該差異在加固設(shè)計(jì)中應(yīng)得到充分重視。對于拱頂位置,考慮初始變形是必要的;對于L/4截面,考慮初始變形會(huì)得到較小的計(jì)算值,因此可按未變形主拱圈計(jì)算該處應(yīng)力以得到保守的結(jié)果;對于拱腳截面,主拱圈變形對該處應(yīng)力影響不大。

圖3所示變形特征為常有的病害變形,但具體的拱橋線形仍需要經(jīng)過測量得出。因此無法統(tǒng)一地按照某一種初始變形來進(jìn)行拱橋加固設(shè)計(jì)計(jì)算,也無法通過既定的折減系數(shù)來評定加固效果。

3 結(jié) 語

通過對石拱橋加固后狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析,得出以下結(jié)論:

(1)對于跨度較大且主拱圈出現(xiàn)嚴(yán)重變形的石拱橋,拱軸線變形對計(jì)算結(jié)果影響較大。

(2)主拱圈變形對橋梁產(chǎn)生不利影響,拱頂截面的應(yīng)力、撓度等均大于不考慮主拱圈變形的計(jì)算結(jié)果。因此在加固設(shè)計(jì)中不考慮拱軸線的變形是不安全的。

(3)主拱圈變形對L/4截面產(chǎn)生一定的有利影響,為在加固設(shè)計(jì)中保證足夠的安全儲(chǔ)備,建議按未變形拱軸線計(jì)算該處內(nèi)力。

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[5]中華人民共和國交通部.JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].人民交通出版社,2004:5-16.

[6]中華人民共和國交通部.JTG D61-2005.公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:5-8.

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