基于“釋能法”的拱橋加固受力性能

李鋒燕, 郭元凱, 王 華*, 高 鋒

(1. 西安科技大學 地質與環境學院, 陜西 西安 710054;2. 貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司, 貴州 貴陽 550000)

石拱橋常用于跨越小跨徑河流,是一種無鉸拱結構體系.隨著服務年限增長,道路上大多數石拱橋存在開裂、破損、承載力不足等問題,嚴重影響了石拱橋的正常使用[1].傳統的拱橋加固方法有2類:采用現澆混凝土、噴射混凝土、外包鋼筋混凝土套箍的增大截面法[2];采用環氧膠漿粘貼鋼板、玻璃鋼及碳纖維布等高強材料提高主拱圈受拉區的強度法[3].傳統的拱橋加固方法加固費用高、施工難度大、施工工期長,甚至還要中斷交通等.而“釋能法”是在原有無鉸拱的拱腳部位進行特殊處理,將原無鉸拱橋主拱圈拱腳的內力釋放,減小拱腳負彎矩及拱頂正彎矩,將內力重新分配到L/4(L為拱橋的計算跨徑)附近的截面,使得原主拱圈非設計控制截面承擔新增載荷,進而提高原石拱橋的承載能力.“釋能法”通過發掘拱橋自身潛力改變拱圈受力體系,改善結構的受力狀況,具有經濟、快速、新工藝的諸多優點[4].本文通過數值分析及現場載荷試驗,對“釋能法”提高老舊石拱橋結構承載力的效果進行分析研究.

1 “釋能法”計算原理

所謂“釋能法”加固技術就是在原來無鉸拱的基礎上,采用特殊的施工機具,將無鉸拱主拱圈拱腳截面沿著中性軸以上部分割出一條縫,進行釋能處理后用瀝青馬蹄脂等材料進行回填[5].通過對拱腳截面的割縫處理,改變拱腳的邊界約束,讓拱腳能夠產生微小的轉動,釋放主拱圈控制截面拱腳的內力,減小拱腳截面的負彎矩,使得拱橋結構內力重分配,進而改善拱橋整體結構的受力狀況.因此“釋能法”是通過主拱結構體系轉變,改善結構內力,提高拱橋結構承載力的加固方法.

經“釋能法”加固后的拱橋簡稱“釋能拱”,在結構受力上是介于無鉸拱與雙鉸拱之間的結構體系,因此在結構計算時以雙鉸拱受力計算為基本體系,在雙鉸拱結構內力計算結果的基礎上疊加一個偏心附加彎矩Mr[6].在載荷作用下拱腳將產生微小轉角Φr,此時的拱橋結構為偏心受壓構件,微小轉動使得拱腳上緣開裂,下緣產生壓應變δ和壓應力σ. 圖1中,軸向力N與壓應力σ相平衡后,N作用在受壓區的重心上,設軸線距離下緣的垂直距離為X下,重心距離下緣為c,則偏心距e=X下-c,因此鉸端的附加約束彎矩Mr=N·e.因此,釋能拱內力=雙鉸拱內力+Mr.

圖1 “釋能拱”拱腳結構示意

2 “釋能法”加固石拱橋結構受力性能

2.1 工程背景

銅仁市某石拱橋為1×25 m空腹式石拱橋,計算跨徑lo=25 m,凈矢高f0=5 m,矢跨比f0/l0=1/5.橋面橫向布置為0.3 m(護欄)+4.5 m(車行道)+0.3 m(護欄).主拱圈寬5.0 m,采用7.5#砂漿砌30#料石,由于年久失修,再加上常年超負荷運營,拱橋主拱圈及腹拱圈多處出現開裂等病害.當前狀態下該橋已不滿足超重車輛安全通行要求,需對該橋進行加固改造,加固后的拱橋總體布置圖及橫斷面圖見圖2、圖3.根據業主提供的超重車輛資料,并結合現場實際情況,對石拱橋進行加固改造,以滿足超重車輛通行的要求,擬加固設計載荷的標準為80 t重型車.

圖2 加固總體布置圖(單位:cm)Fig.2 General plan layout of reinforcement (Unit: cm)

圖3拱橋加固橫斷面示意圖(單位:cm)

Fig.3 Cross-sectional diagram of arch bridge reinforcement (unit: cm)

2.2 石拱橋加固措施

(1) 在全橋主拱圈拱背澆注200 cm×50 cm的C40鋼筋混凝土拱肋,并用雙層油氈將新澆拱肋中性軸以上受拉區拱腳處與拱座和橫墻新澆混凝土隔離,將原橋結構受力體系由無鉸體系轉換成為釋能拱,拱腳釋能槽構造見圖4.

(2) 在靠近實腹段橫墻處主拱圈底部兩側2 m 范圍內用SHO-BOND粘鋼膠粘貼10 mm厚鋼板加固.

圖4拱腳釋能槽構造圖

Fig.4 Structural diagram of arch foot energy release groove

2.3 建立有限元模型

采用橋梁專用有限元軟件MIDAS/Civil建立石拱橋全橋的有限元模型,全橋共有551個節點,603個單元.采用無容重虛擬立柱模擬拱上填料的傳力,建模時通過釋放梁端約束來模擬虛擬立柱只傳遞軸力不傳遞彎矩的傳力機理,現澆拱肋與原拱圈采用“彈性連接”邊界來模擬,拱上填料用梯形線載荷模擬,石拱橋空間有限元模型如圖5所示.

圖5 有限元模型圖Fig.5 Finite element model diagram

2.4 “釋能法”加固后拱橋受力性能分析

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)及《公路圬工橋涵設計規范》(JTJ D61—2005),對加固后石拱橋控制截面的承載力進行計算分析.計算分析時考慮恒載、汽車載荷及溫度載荷,其中溫度載荷考慮最大升溫22 ℃、最大降溫15 ℃.承載能力計算時,考慮的4種載荷組合如表1所示,其中恒載考慮1.2的分項系數,汽車載荷考慮1.4的分項系數,溫度載荷考慮1.12的分項系數.計算結果如表2、表3所示,符合承載能力要求.

表1 載荷組合工況Table 1 Load combination conditions

表2 主拱圈控制截面承載力驗算Table 2 Checking calculation of bearing capacity of main arch ring control section

表3 加固前后最不利工況下控制截面內力對比

由表1及表2數據可知.

(1) 加固后的石拱橋在各組合工況下的效應值均小于結構抗力值Nu,滿足重型車通過承載力要求,各控制截面的承載力均有不同程度的安全儲備.

(2) 經“釋能法”加固改造后,拱腳截面的負彎矩較加固前有大幅度減小,拱腳截面負彎矩減小38.15%;拱頂正彎矩也較加固前大幅減小,拱頂截面的正彎矩減小25.35%;但L/4截面的正彎矩較加固前稍微增大,L/4截面正彎矩增大了8.94%.

(3) “釋能法”加固石拱橋后,釋放了拱腳截面負彎矩與拱頂截面的正彎矩,改善了結構受力,L/4截面承擔了結構新增加的內力,但L/4截面不作為控制設計截面.

2.5 “釋能法”加固后載荷試驗

為了科學、直接、有效地評價“釋能法”提高石拱橋承載力的效果,對加固后的石拱橋進行載荷試驗.靜載試驗使用80 t標準重型車直接加載,按照各控制截面內力等效原則,在其結構影響線上按最不利位置分析布載.分別對拱頂最大正彎矩及L/4截面最大正負彎矩工況進行靜力加載試驗,本次試驗載荷效率0.85≤η≤1.05,滿足《公路橋梁載荷試驗規程》(JTG/J21-01-2015)規范要求.測試各工況下L/6、L/3、L/2、2L/3、5L/6控制截面的應變及撓度值,試驗結果對比如圖6～圖8所示.

圖6 控制截面拱圈上緣應變試驗值與理論值對比

圖7 控制截面拱圈下緣應變試驗值與理論值對比

圖8 控制截面撓度試驗值與理論值對比

由控制截面應變及撓度試驗值跟理論值的對比分析可知,加固后的拱橋試驗載荷作用下的應變及撓度值均小于理論計算值,結構的強度、剛度符合正常使用的要求.

3 結 論

“釋能法”加固舊危石拱橋,能夠較大幅度減少原石拱橋拱腳上緣承受的負彎矩及拱頂下緣承受的正彎矩,大幅改善結構受力,通過結構內力重分配,提高原拱橋的承載力.在試驗載荷作用下,各試驗加載工況下控制截面的應變及撓度值均小于理論計算值,表明經“釋能法”加固后結構具有較高的強度及剛度.通過“釋能法”加固舊危石拱橋進而提高結構的承載能力是安全、可行的.