主拱圈初始變形對石拱橋加固設計計算的影響

黃慶祥

(山西省交通科學研究院,山西太原030006)

石拱橋具有造型美觀、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。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。經(jīng)過近三十年的運營,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,嚴重影響交通安全[1-2]。而對這部分橋梁進行拆除重建會對當?shù)亟?jīng)濟造成嚴重影響。因此,對該部分橋梁進行長期健康監(jiān)控,并對已有病害橋梁進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算,借助有限元法計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計計算的影響,總結(jié)現(xiàn)有計算方法的不足并提出初步的改進措施,為今后該類橋梁的加固設計工作提供一定參考。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。增大截面法造價低廉,不用中斷交通,因此廣泛應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)設計文件進行,在確定了跨度、矢高及拱軸系數(shù)后,只要帶入相應的計算公式中就可以計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行折減。通過折減后的承載能力與目標承載能力的比較即可算出需要加強的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。該方法即為傳統(tǒng)的加固設計流程。

目前對于石拱橋加固設計的計算仍然按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規(guī)范》[5]和《公路圬工橋涵設計規(guī)范》[6]的相關(guān)規(guī)定進行。計算中結(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)仍然采用設計數(shù)據(jù)。對于中、小跨徑石拱橋,該計算不會引起較大誤差[7]。但對于跨度較大、且橋梁病害較嚴重的拱橋,該計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上進行加固。當主拱圈發(fā)生嚴重變形時,加固材料仍沿著變形的拱軸線進行施工,因此加固后的主拱圈線形仍然不是最初設計的拱軸線[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。

因此對擁有較嚴重病害的橋梁進行加固設計,除了參考初始設計資料外,需要精確地測量主拱圈線形。通過實測線形來計算拱橋的內(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際檢測結(jié)果和加固方案進行計算,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 考慮初始變形的計算分析

2.1 初始變形對自重內(nèi)力的影響

某石拱橋為主跨55 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個腹拱,跨中實腹段長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)較嚴重的橫向裂縫,且下?lián)线_到0.13 m。主拱圈嚴重變形,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為此類變形。現(xiàn)計劃對該橋進行加固以保證其滿足公路-Ⅱ級荷載標準,采用拱底全噴漿織鋼筋網(wǎng)加固方法,噴漿厚度達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行計算,比較兩種計算結(jié)果的特點。本計算采用Midas Civil進行模擬,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。控制截面取拱腳 、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力,其中壓應力為負。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。兩種計算方法下拱腳截面拱腹應力差異為5%～10%;L/4截面應力差異為5%;而拱頂截面應力出現(xiàn)成倍數(shù)的差異。對于拱背應力,拱腳處應力差異小于5%;L/4處為10%左右;拱頂為6%。

表1 自重作用下拱腹應力 單位:MPa

表2 自重作用下拱背應力 單位:MPa

該計算結(jié)果表明,是否考慮拱軸線變形對主拱圈內(nèi)力計算有較大影響,按照圖3所示的變形曲線計算會在拱頂截面產(chǎn)生附加正彎矩,因此拱腹存在較大拉應力,有可能使主拱圈出現(xiàn)橫向裂縫?？紤]初始變形所計算的L/4處應力較不考慮初始變形的小,其原因為自重作用在變形后的該處截面上產(chǎn)生了負彎矩,這對按設計拱軸線計算所得的正彎矩進行卸載,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),該處設計能力可采用初始變形計算所得值。拱腳截面的應力變化值較小,滿足5%的誤差變化要求,因此對于普通拱橋加固計算可忽略初始變形對該處應力的影響。

2.2 初始變形對活荷載響應的影響

石拱橋的自重荷載在其所受荷載中占有相當大的比例,因此車道荷載造成的主拱圈內(nèi)力分布特點同以上計算的自重內(nèi)力結(jié)果類似,在此不在贅述。以下僅對車輛荷載進行計算,分析關(guān)鍵截面處的撓度變化特點?；詈奢d為兩輛30 t重的車輛;先計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)進行加載,計算拱頂和L/4處的撓度,計算結(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)力計算結(jié)果類似,不考慮初始變形對于拱頂位置的設計計算是不安全的,但對于L/4位置處的主拱圈計算是偏安全的。

計算分析結(jié)果表明,圖3形式的主拱圈初始變形對拱橋的內(nèi)力計算有一定影響,該差異在加固設計中應得到充分重視。對于拱頂位置,考慮初始變形是必要的;對于L/4截面,考慮初始變形會得到較小的計算值,因此可按未變形主拱圈計算該處應力以得到保守的結(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行拱橋加固設計計算,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)進行計算分析,得出以下結(jié)論:

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

(2)主拱圈變形對橋梁產(chǎn)生不利影響,拱頂截面的應力、撓度等均大于不考慮主拱圈變形的計算結(jié)果。因此在加固設計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,為在加固設計中保證足夠的安全儲備,建議按未變形拱軸線計算該處內(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應力混凝土橋涵設計規(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.公路圬工橋涵設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005:5-8.

[7]蒙 云,盧 波.橋梁加固與改造[M].北京:人民交通出版社,2004:122-147.

[8]姚林森.橋梁工程(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2008:315-343.