主拱圈初始变形对石拱桥加固设计计算的影响

黄庆祥

(山西省交通科学研究院,山西太原030006)

石拱桥具有造型美观、经济适用等优点。在改革开放初期,我国在县道、乡道上修建了大量的石拱桥以发展地方经济。经过近三十年的运营,由于交通量不断加大和材料老化等原因,众多石拱桥存在不同程度的承载能力不足、长期带病工作的现象,部分桥梁甚至成为了危桥,严重影响交通安全[1-2]。而对这部分桥梁进行拆除重建会对当地经济造成严重影响。因此,对该部分桥梁进行长期健康监控,并对已有病害桥梁进行加固改造是必要的。本文基于石拱桥的增大截面法加固计算,借助有限元法计算加固后桥梁主拱圈的内力,分析拱轴线变形对桥梁加固设计计算的影响,总结现有计算方法的不足并提出初步的改进措施,为今后该类桥梁的加固设计工作提供一定参考。对主拱圈采用喷射混凝土、现浇混凝土、外包混凝土等均属于此类方法。该方法主要针对主拱圈开裂或发生拱轴线变形等病害引起的整个结构承载力不足或构件局部功能损失而采用的加固措施。增大截面法造价低廉,不用中断交通,因此广泛应用于桥跨净空满足要求的石拱桥[3-4]。图1为增大截面加固法加固简图。

图1 增大截面法加固示意

1 石拱桥常用加固方法及计算原理

石拱桥加固以增大主拱圈截面积的方法为主。

现阶段,常用的危旧拱桥内力分析一般根据设计文件进行,在确定了跨度、矢高及拱轴系数后,只要带入相应的计算公式中就可以计算出拱圈主要截面的内力;然后根据缺损状态对截面的承载能力进行折减。通过折减后的承载能力与目标承载能力的比较即可算出需要加强的结构构造。该方法即为传统的加固设计流程。

目前对于石拱桥加固设计的计算仍然按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》[5]和《公路圬工桥涵设计规范》[6]的相关规定进行。计算中结构的截面特性采用加固后的新截面,主拱圈的线形数据仍然采用设计数据。对于中、小跨径石拱桥,该计算不会引起较大误差[7]。但对于跨度较大、且桥梁病害较严重的拱桥,该计算方法存在一定局限性。

主拱圈的开裂等病害往往伴随着主拱圈的变形,由于增大截面法是在已有病害桥梁的基础上进行加固。当主拱圈发生严重变形时,加固材料仍沿着变形的拱轴线进行施工,因此加固后的主拱圈线形仍然不是最初设计的拱轴线[8]。该微小差异可能对主拱圈内力有较大的影响,继而影响到加固效果。

因此对拥有较严重病害的桥梁进行加固设计,除了参考初始设计资料外,需要精确地测量主拱圈线形。通过实测线形来计算拱桥的内力分布特征能够更好地把握控制截面的受力状态,提高加固的效果。以下通过对一拱桥的实际检测结果和加固方案进行计算,分析比较主拱圈初始变形对加固后结构内力的影响。

2 考虑初始变形的计算分析

2.1 初始变形对自重内力的影响

某石拱桥为主跨55 m,矢跨比为0.26的悬链线石砌拱桥。主拱圈厚1.2 m,宽8.5 m;拱上建筑为左右对称的4个腹拱,跨中实腹段长15 m,主拱圈为MU60石材,拱上立柱主要材料为MU40石材,桥梁结构见图2。外观检查发现,该桥拱顶出现较严重的横向裂缝,且下挠达到0.13 m。主拱圈严重变形,变形后的线性示意图见图3,大多数存在主拱圈变形病害的拱桥为此类变形。现计划对该桥进行加固以保证其满足公路-Ⅱ级荷载标准,采用拱底全喷浆织钢筋网加固方法,喷浆厚度达150 mm。

图2 桥型布置图

图3 主拱圈变形示意

对是否考虑主拱圈初始变形分别进行计算,比较两种计算结果的特点。本计算采用Midas Civil进行模拟,主拱圈采用梁单元模拟,重度 γ=24 kN/m3;弹性模量E=7 300 MPa;通过对梁单元坐标位置调整来模拟主拱圈的初始变形。由于本文主要讨论主拱圈的内力状况,因此拱上建筑及桥面系的重力均简化为荷载直接施加于主拱圈上,如图4所示。控制截面取拱脚 、L/4、拱顶 、3/4L 处 。

图4 主拱圈模型

表1和表2显示了不考虑初始变形和考虑初始变形加固后主拱圈各控制截面应力,其中压应力为负。其中可看出,是否考虑初始变形对结构的内力影响较大。两种计算方法下拱脚截面拱腹应力差异为5%～10%;L/4截面应力差异为5%;而拱顶截面应力出现成倍数的差异。对于拱背应力,拱脚处应力差异小于5%;L/4处为10%左右;拱顶为6%。

表1 自重作用下拱腹应力 单位:MPa

表2 自重作用下拱背应力 单位:MPa

该计算结果表明,是否考虑拱轴线变形对主拱圈内力计算有较大影响,按照图3所示的变形曲线计算会在拱顶截面产生附加正弯矩,因此拱腹存在较大拉应力,有可能使主拱圈出现横向裂缝。考虑初始变形所计算的L/4处应力较不考虑初始变形的小,其原因为自重作用在变形后的该处截面上产生了负弯矩,这对按设计拱轴线计算所得的正弯矩进行卸载,因此初始变形对L/4截面的承载能力有一定提高。为提高加固后桥梁的安全系数,该处设计能力可采用初始变形计算所得值。拱脚截面的应力变化值较小,满足5%的误差变化要求,因此对于普通拱桥加固计算可忽略初始变形对该处应力的影响。

2.2 初始变形对活荷载响应的影响

石拱桥的自重荷载在其所受荷载中占有相当大的比例,因此车道荷载造成的主拱圈内力分布特点同以上计算的自重内力结果类似,在此不在赘述。以下仅对车辆荷载进行计算,分析关键截面处的挠度变化特点。活荷载为两辆30 t重的车辆;先计算出控制截面的影响线,再按影响线最不利位置对桥梁结构进行加载,计算拱顶和L/4处的挠度,计算结果见表3。

表3 活荷载作用下控制截面挠度 单位:mm

从表3中可以看出,对于拱顶截面,不考虑初始的挠度小于考虑初始变形的挠度,两者相差约为8%;对于L/4截面,不考虑初始变形的挠度大于考虑初始变形的挠度,两者相差约为8%。与自重状态下的内力计算结果类似,不考虑初始变形对于拱顶位置的设计计算是不安全的,但对于L/4位置处的主拱圈计算是偏安全的。

计算分析结果表明,图3形式的主拱圈初始变形对拱桥的内力计算有一定影响,该差异在加固设计中应得到充分重视。对于拱顶位置,考虑初始变形是必要的;对于L/4截面,考虑初始变形会得到较小的计算值,因此可按未变形主拱圈计算该处应力以得到保守的结果;对于拱脚截面,主拱圈变形对该处应力影响不大。

图3所示变形特征为常有的病害变形,但具体的拱桥线形仍需要经过测量得出。因此无法统一地按照某一种初始变形来进行拱桥加固设计计算,也无法通过既定的折减系数来评定加固效果。

3 结 语

通过对石拱桥加固后状态进行计算分析,得出以下结论:

(1)对于跨度较大且主拱圈出现严重变形的石拱桥,拱轴线变形对计算结果影响较大。

(2)主拱圈变形对桥梁产生不利影响,拱顶截面的应力、挠度等均大于不考虑主拱圈变形的计算结果。因此在加固设计中不考虑拱轴线的变形是不安全的。

(3)主拱圈变形对L/4截面产生一定的有利影响,为在加固设计中保证足够的安全储备,建议按未变形拱轴线计算该处内力。

[1]颜向群,李海梁.石拱桥常见病害与预防措施[J].公路与汽运,2003,(6):69-71.

[2]平 甍.大跨石拱桥承载力评定及增强加固方案设计[J].山西交通科技,2007,(6):47-49.

[3]杨文渊.桥梁维修与加固[M].北京:人民交通出版社,1994:93-155.

[4]冯 冲.大跨径石拱桥拱上立柱病害分析及加固方案研究[J].交通标准化,2010,(9):153-155.

[5]中华人民共和国交通部.JTG D62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].人民交通出版社,2004:5-16.

[6]中华人民共和国交通部.JTG D61-2005.公路圬工桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2005:5-8.

[7]蒙 云,卢 波.桥梁加固与改造[M].北京:人民交通出版社,2004:122-147.

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