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。
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
3.1.1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。
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2
3.2.1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，上部设双柱式排架支承纵梁，并配横向分布的桥面板。引桥为7孔63米的单箱肋拱，箱高1.4米，上部设双柱式排架支承纵梁，并配横向分布的桥面板，主桥结构布置图如图3所示。设计荷载为汽-20、挂-103。近年发现该桥出现较多裂缝，行车时震感强烈，对该大桥进行了验算，该桥存在主、引桥主拱圈强度不够以及引桥稳定性不够两方面的问题，结构不安全，需要进行结构加固。
主桥左、右两半拱的拱轴系数均偏离原设计的理论值，表现为左半拱的拱轴系数减小，右半拱的拱轴系数增大（即左半拱变坦，右半拱变陡）；对第二孔而言，差异还很大。因此造成左半拱拱脚的恒载负弯矩比右半拱拱脚大很多，导致左半拱拱脚验算不易通过。为此需要在主桥的右半拱采用不对称压重的方法，来减小左半拱拱脚的恒载负弯矩，增大右半拱拱脚的恒功负弯矩，使两处拱脚的恒载内力趋于接近，然后通过进一步增强拱圈截面，达到对结构进行维修加固的目的。
3.2.2实施方法及达到的效果
配重位置如图3所示。具体实施过程中，为保证配重施加的效果又考虑到主桥结构的安全，分为两期施加配重。首先对已有的裂缝缺陷进行治理，同时进行浇筑墩上加强系梁后，再对主桥拱圈施加第一期不对称永久压重。其次对拱座、拱圈进行截面补强（增加受力主筋，浇筑补强混凝土）后，施加第二期不对称压重，以调整拱圈内力。这样既达到了施加配重，调整拱圈内力的结果，又不至因增大恒载，造成对结构安全的危害。
表2是仅仅施加第一期压重（不对拱圈进行补强）的前后拱圈内力情况的对比。
表2第一期压重前后拱圈截面弯矩比较（单位：kN•m）
由表2可以看出，在对主桥主拱圈施加第一期不对称永久压重后，拱脚截面的内力得到了明显改善，最大可达52％以上。
4、结语
在有大量拱桥需要进行维修加固的今天，如何积极地引进和开发旧桥加固、改造的先进技术，更合理地确定加固、改造方案，使得危桥、旧桥能尽可能长地发挥作用，对于将有限建设资金发挥更大效益有着重要的意义。实践表明，配重法能明显地改善拱圈内力，将压力线与拱轴线的偏离明显减小，在拱桥加固、改造的过程中不失为一种可付诸实践、值得借鉴的方法。
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