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拱桥加固改造方案

1、前言拱桥是一种比较常见的桥梁型式，尤其是山区公路桥梁，因地质和地形条件较适合，拱桥一般是优先考虑的既美观又经济的桥型。据统计，我国有百分之七十的公路桥梁为拱桥，约占世界同类拱桥的三分之一以上。因此，在我国当前数以万计的危旧桥梁中，有大量的拱桥需要进行加固改造，其中有重要路段的大跨度拱桥。在常用的拱桥维修加固技术中，减轻恒载法和增大截面和配筋加固的方法比较常见，而本人在对某些拱桥进行维修加固改造的实践中，深感配重法在危旧拱桥加固改造中能明显改善拱圈内力、提高加固效果的作用，本文通过这方面的研究，为今后的类似工作提供参考。
2、理论依据和方法悬链线空腹拱的拱轴是利用与恒载压力线在拱顶、拱脚及L／4处五点重合的方法决定的，除此五点外，其他各点均与压力线有偏离。由结构力学知，压力线与拱轴线的偏离会在拱中产生附加内力。对于静定三铰拱，各截面的偏离弯矩值Mp可以三铰拱的压力线与拱轴线在该截面的偏离弯矩值△y表示(Mp=Hg•△y)；对于无铰拱，其偏离弯矩的大小，以该偏离弯矩Mp荷载，算出无铰拱的偏离弯矩值。计算简图如图1。图1无铰拱偏离内力计算图式荷载作用在基本结构上引起弹性中心的赘余力为：（1）（2）式中：Mp为三铰拱荷载压力线偏离拱轴线所产生的弯矩，Mp=Hg•Δy，=1，=-y；Δy为三铰拱恒载压力线与拱轴线的偏离值。由图1可知，任意截面的偏离弯矩、偏离轴力和偏离剪力为：ΔM=ΔXl—ΔX2y+Mp(3)ΔN=X2cosφ(4)△Q=X2•sinφ(5)式中：y为以弹性中心为原点(向上为正)的拱轴线纵坐标。由式(3)、(4)和(5)可知：偏离附加内力的大小与荷载的具体布置有关。据此，可以在需要的位置，施加必要的荷载来调整偏心附加内力的大小。对于危旧拱桥，其拱轴线的形状不仅直接影响主拱圈的内力分布和截面应力的大小，而且与结构的耐久性(开裂影响)、经济合理性及施工安全等有着密切关系。对于主拱圈变形太大的拱桥，实际拱轴线与压力线的偏离比较大，此时如果只是采用对拱圈截面进行补强加固，已不能有效地改善主拱圈的受力状况，这就需要对拱轴线和压力线进行调整，使之尽量吻合以改善主拱圈的受力。一般通过采用不同单位重的拱上填料、改变拱上填料厚度或者在主拱拱背上增加配重等措施，改变实际压力线的位置，使其与拱轴线吻合。但此时必须考虑到拱圈的承受能力，要首先进行详细的计算，以便确定合理的调整方案，防止不恰当地增加拱上恒载，危及整个结构的安全。而对于大跨度拱桥，在不影响全桥的安全性的情况下，拱背施加配重的方法是一个较好的选择。3、工程实例以两座不同类型的拱桥加固改造实例进行数值分析，具体说明配重法的实施过程及所达到的效果。3.1实例1工程概述湖南省某桥全桥长204米，主桥净跨为2×50m石拱桥，主拱圈截面为板拱，板厚lm，于70年代末建成通车，主桥布置如图2所示。当时设计荷载为汽车-15级，挂车-80。经过多年的运营，该桥桥面破碎，人行道和栏杆破损，加之该桥紧挨县城，随着该县经济的发展，原有的荷载等级不能满足现在的通行要求，拟将荷载设计等级提高为汽车-2O级，挂车-100。图2石拱桥主桥结构布置图3.1.2实施方法及达到的效果根据加固改造方案，桥梁在汽车-20级，挂车-100荷载等级下，仅拱脚截面的下缘出现拉应力。经数值计算，在两拱第二横墙以下拱圈部分施加对称的配重(材料选用5号浆砌片石)，如图2所示。在汽车-20荷载作用下，主桥在配重前后的内力计算用有限元程序进行，表1列出了拱圈在恒载作用下的拱脚、L／4截面和拱顶截面的内力在施加配重前后的对比。表1配重前后拱圈恒载内力比较(单位：弯矩：kN•m；轴力kN；应力MPa)注：应力值为恒栽十汽车十温升的荷栽组合作用下的应力值。弯矩和轴力值为恒栽作用下的内力值，轴力以拉为正，以压为负。表中“一“表示该项没有计算。从表1中可以清楚地看出，在未加配重前，拱脚截面的弯矩为1953.3kN•m，配重后，恒载弯矩减小为651.95kN•m，减小幅度达66.62％；轴力在未加配重前拱脚截面为16597.8kN，施加配重后拱脚截面的轴力为17525.1kN，仅增大不到6％。拱顶截面弯矩减小幅度更是达到了一倍以上，而相应的轴力仅增大2.22％。应力方面：未施加配重前，拱脚下缘的拉应力为1.1953MPa，施加配重后，拱圈全截面基本受压，而全拱圈在最不利荷载组合下的最大压应力为4.08MPa，也就是说，在施加配重后，即使在增大拱圈恒载的基础上，截面的最大压应力也满足规范要求。由此可见，施加配重后，压力线与拱轴线的偏离被显著地减小了，取得了非常明显的效果。3.2实例23.2.1工程概述湖南省某特大桥全长800米、桥面纵坡为2.5％的坡拱桥，于90年代初建成通车。主桥为2孔130米箱形板拱，箱高1.8米，上部设双