轻质泡沫土用作上承式拱桥拱腹填料的研究

仝家欢

（西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710064）

0 引言

近年来，轻质泡沫土在国内外工程中的应用越来越广泛，轻质泡沫土具有密度小、质量轻、保温、隔音、抗震等性能，是一种新型建筑材料。轻质泡沫土的基本原料为水泥、石灰、水、泡沫，在此基础上掺加一些填料、骨料及外加剂[1]。目前该材料主要应用于建筑保温墙体、边坡挡墙、软土路基填筑、桥台回填及地下充填等工程中，作为拱腹填料的应用较少。本文结合某上承式钢筋混凝土拱桥工程实例，通过理论计算，对轻质泡沫土作为拱腹填料的适用性及经济性进行研究。

1 上承式拱桥概述

拱桥是一种使用较为广泛的桥型，拱桥与梁桥的区别，不仅在于外形不同，更重要的是两者受力方式有较大差别。拱式结构在竖向荷载作用下，两端将产生水平推力，正是这种水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的弯矩，使之成为偏心受压构件，截面上的应力分布与受弯梁相比，较为均匀，可以充分利用主拱截面材料强度，使跨越能力增大。上承式实腹拱桥（见图1所示）桥面系位于拱圈之上，桥面系和拱圈之间通过拱腹填料传递桥面荷载。

图1 上承式实腹拱桥构造

拱腹填料通常采用透水性好、土侧压力小的砾石、碎石、粗砂或卵石类黏土等材料分层夯实，也可采用炉渣与黏土混合物等以减少拱上建筑质量。拱腹填料的轻重直接影响拱脚推力的大小，减轻拱腹填料的质量就可以减小拱脚推力，使拱桥能够适用较差的地质条件。理想的拱腹填料具有“轻质高强”的特点，此处的高强指的是能够满足道路荷载要求同时又能够将路面荷载传递到拱肋上。

2 轻质泡沫土材料特点

轻质泡沫土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料[2]。轻质泡沫土特点突出，在工程中应用广泛。

2.1 轻质高强

轻质泡沫土容重范围一般为5～15kN/m3，强度范围一般为0.3～20MPa[3]，弹性模量范围一般为75～5000MPa。可以看出轻质泡沫土容重小于岩土容重（18kN/m3）和混凝土容重（25kN/m3），强度低于一般混凝土强度（20MPa以上），此处所谓“高强”是相对的，指其抗压强度高于灰土、二灰碎石、水泥稳定碎石等道路基层材料强度。所以，轻质泡沫土强度可满足车辆荷载要求，也常用于道路路基材料。此外，因其容重较轻，回填时地基土中不带来附加应力，可以作为较好的回填材料[4]。

2.2 施工便捷，整体性好

轻质泡沫土拌合后呈液态，施工时可直接浇筑，呈自流平状态，无需振捣，能适用各类异形狭小空间，施工方式简单，便于操作。现场浇筑后，与主体工程紧密结合，整体性好。

2.3 结构自稳，不产生侧压力

泡沫混凝土凝固后，结构自稳，不产生土侧压力，因此在桥梁台背回填时可以有效地减少高填方对桥台基础的土压力，起到优化结构设计的目的。

2.4 耐久性、环保性及防水性能俱佳

轻质泡沫土作为一种特殊的混凝土材料，具有和混凝土一样较好的耐久性能。轻质泡沫土所需原料为水泥和发泡剂，发泡剂为中性，不含苯、甲醛等有害物质，避免了环境污染和消防隐患。现浇轻质泡沫土吸水率较低，有相对独立的封闭气泡及良好的整体性，具有一定的防水性能。

3 工程概况

西安某景区一跨河桥梁，结构形式为一孔上承式混凝土无铰拱桥（见图2所示），跨径为68m，桥梁总宽30m，桥梁全长110m，桥梁与河道斜交，斜交角为82.4°。主拱采用等截面悬链线箱形拱，跨径68m，矢高10.622m，矢跨比1/6.402，为了减少拱上建筑重量，在主孔上设腹拱，腹拱采用圆弧板式拱，拱轴线圆弧半径分别为2m、2.6m、3.25m。拱座与主拱圈固结，承台下设群桩基础，桩径1.8m，桩长45m。拱腹填料采用轻质泡沫土，材料指标取：强度等级CF1.0（1.0MPa），容重等级W7（7kN/m3）。

图2 西安某上承式拱桥立面布置图（单位：cm）

4 轻质泡沫土作为拱腹填料对主拱圈受力和桩基受力影响分析

本次研究结合工程结构设计，采用Midas Civil 2022软件进行结构有限元分析（见图3所示），拱腹填料按荷载考虑，桥面系采用无重度虚拟梁进行模拟，桩侧采用土弹簧模拟，共建1181个单元。

图3 桥梁有限元分析模型

本次研究中，分别采用级配砂砾石（容重22kN/m3）、石灰粉煤灰土（容重14kN/m3）和轻质泡沫土（容重7kN/m3）三种不同拱腹填料进行对比计算，从主拱圈和桩基础受力两个方面进行分析。

4.1 不同拱腹填料对主拱圈受力影响分析

通过结构计算，在承载能力极限状态下，三种不同拱腹填料荷载作用下主拱圈结构效应见表1、图4所示。

表1 不同填料在承载能力极限状态下主拱圈结构效应

图4 不同拱腹填料作用下主拱内力对比图

从表1和图4可以看出，采用不同重度拱腹填料对主拱圈结构效应具有较大的影响。与石灰粉煤灰填料相比，采用轻质泡沫土填料在承载能力极限状态下拱脚水平推力可降低17%，拱脚弯矩可降低19%，水平位移可降低20%；与级配砂砾填料相比，采用轻质泡沫土填料在承载能力极限状态下拱脚水平推力可降低31%，拱脚弯矩可降低34%。表1和图4中拱顶弯矩随填料重度的减小而略有增加，增加幅度约5%～7%，与拱脚弯矩相比，拱顶弯矩增幅变化较小，但变化规律却相反，究其原因，主要在于拱腹填料作用下，主拱圈的反弯点会向拱脚方向下移，使得1/4拱圈处弯矩增大，拱脚负弯矩增大，拱顶正弯矩减小，对拱顶有一定的卸载效用，而拱腹填料重度越大，这种效应越突出。自重荷载作用下裸拱弯矩见图5，拱腹填料荷载作用下主拱弯矩见图6。

图5 自重荷载作用下裸拱弯矩（单位：t·m）

图6 拱腹填料荷载作用下主拱弯矩（单位：t·m）

4.2 不同拱腹填料对桩基受力影响分析

通过结构计算，在承载能力极限状态下，三种不同拱腹填料荷载作用下桩基结构效应见表2、表3和图7所示。

表2 不同填料在承载能力极限状态下桩基内力

表3 标准组合下桩基轴力和位移

图7 不同拱腹填料作用下桩基内力对比图

从以上图表中可以看出，采用不同重度拱腹填料对桩基结构效应具有较大的影响。与石灰粉煤灰填料相比，采用轻质泡沫土填料在承载能力极限状态下桩顶弯矩可降低15%，桩顶剪力可降低17%，桩顶轴力可降低11%，正常使用极限状态标准组合下桩顶轴力可降低15%，桩顶水平位移可降低20%；与级配砂砾填料相比，采用轻质泡沫土填料承载能力极限状态下桩顶弯矩可降低28%，桩顶剪力可降低30%，桩顶轴力可降低21%，正常使用极限状态标准组合下桩顶轴力可降低27%，桩顶水平位移可降低35%。

对于一般混凝土无铰拱桥来说，多选用等截面或拱脚加厚的变截面拱圈，主拱圈主筋通长布置且深入拱座，拱脚为结构设计控制截面，拱顶截面一般不控制设计。综上，填料重度对拱桥结构效应影响较大，填料就是荷载，采用轻质填料就是给结构“减负”，对结构更加友好，换句话说，降低结构效应，也就意味着减小结构尺寸或减小材料用量，优化结构设计，体现工程经济性。

5 轻质泡沫土作为拱腹填料的经济性分析

采用轻质泡沫土作为拱腹填料，减轻桥梁荷载，从设计角度来说可以优化结构尺寸，即可以对主拱圈箱室高度和桩基的直径和长度做优化处理。以混凝土作为一项指标来测算，与石灰粉煤灰填料相比，采用轻质泡沫土填料，主拱圈可以减少混凝土用量13%，桩基可减少20%；与级配砂砾填料相比，主拱圈可以减少混凝土用量24%，桩基可减少43%。

三种填料市场价格也存在一定的差异，级配砂砾综合单价为480～500元/m³，石灰粉煤灰填料综合单价为250～280元/m³，轻质泡沫土填料综合单价为500～530元/m³。从材料单价来说，级配砂砾和轻质泡沫土填料差别较小，石灰粉煤灰填料更为经济，具有价格优势；从施工便捷角度来说，级配砂砾和石灰粉煤灰填料属于散体材料，施工时应分层机械碾压，分层检验压实指标，满足条件后方可下一步作业，其施工程序复杂且周期较长。此外，分层压实对作业空间有要求，拱桥在拱脚处往往存在狭小空间，对施工影响较大。而轻质泡沫土拌合后较普通混凝土更稀软，呈泥流状，施工时直接泵送结构内部，无需振捣，浇筑完后大气压环境自流平，施工便捷，约18～24h可达到终凝，凝固后填料自稳，无侧限压力。

综合考虑结构尺寸优化和填料价格，经测算，与石灰粉煤灰填料相比，采用轻质泡沫土为拱腹填料可以节约工程造价约10%，与级配砂砾填料相比，可节约工程造价约23%，取得较好的经济效益。

6 结束语

总之，对上承式拱桥来说，填料的选择是一个重要的设计内容，不仅关系到结构尺寸的拟定，也关系整个工程造价。轻质泡沫土材料的强度和稳定性均满足作为拱腹填料的条件，低重度是其最大的优势，能够减轻桥梁外荷载，减小结构效应响应，对优化结构设计及降低工程整体造价有一定的价值。因此，轻质泡沫土作为上承式拱桥拱腹填料具有较高的适用性及工程意义，可以在其它工程中推广应用。