1、前言
拱橋是一種比較常見的橋梁型式，尤其是山區(qū)公路橋梁，因地質(zhì)和地形條件較適合，拱橋一般是優(yōu)先考慮的既美觀又經(jīng)濟(jì)的橋型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有百分之七十的公路橋梁為拱橋，約占世界同類拱橋的三分之一以上。因此，在我國(guó)當(dāng)前數(shù)以萬計(jì)的危舊橋梁中，有大量的拱橋需要進(jìn)行加固改造，其中有重要路段的大跨度拱橋。在常用的拱橋維修加固技術(shù)中，減輕恒載法和增大截面和配筋加固的方法比較常見，而本人在對(duì)某些拱橋進(jìn)行維修加固改造的實(shí)踐中，深感配重法在危舊拱橋加固改造中能明顯改善拱圈內(nèi)力、提高加固效果的作用，本文通過這方面的研究，為今后的類似工作提供參考。
2、理論依據(jù)和方法
懸鏈線空腹拱的拱軸是利用與恒載壓力線在拱頂、拱腳及L／4處五點(diǎn)重合的方法決定的，除此五點(diǎn)外，其他各點(diǎn)均與壓力線有偏離。由結(jié)構(gòu)力學(xué)知，壓力線與拱軸線的偏離會(huì)在拱中產(chǎn)生附加內(nèi)力。對(duì)于靜定三鉸拱，各截面的偏離彎矩值Mp可以三鉸拱的壓力線與拱軸線在該截面的偏離彎矩值△y表示（Mp=Hg•△y）；對(duì)于無鉸拱，其偏離彎矩的大小，以該偏離彎矩Mp荷載，算出無鉸拱的偏離彎矩值。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1。
荷載作用在基本結(jié)構(gòu)上引起彈性中心的贅余力為：
（1）
（2）
式中：Mp為三鉸拱荷載壓力線偏離拱軸線所產(chǎn)生的彎矩，Mp=Hg•Δy，=1，=-y；Δy為三鉸拱恒載壓力線與拱軸線的偏離值。
由圖1可知，任意截面的偏離彎矩、偏離軸力和偏離剪力為：
ΔM=ΔXl—ΔX2y+Mp（3）
ΔN=X2cosφ（4）
△Q=X2•sinφ（5）
式中：y為以彈性中心為原點(diǎn)（向上為正）的拱軸線縱坐標(biāo)。
由式（3）、（4）和（5）可知：偏離附加內(nèi)力的大小與荷載的具體布置有關(guān)。據(jù)此，可以在需要的位置，施加必要的荷載來調(diào)整偏心附加內(nèi)力的大小。
對(duì)于危舊拱橋，其拱軸線的形狀不僅直接影響主拱圈的內(nèi)力分布和截面應(yīng)力的大小，而且與結(jié)構(gòu)的耐久性（開裂影響）、經(jīng)濟(jì)合理性及施工安全等有著密切關(guān)系。對(duì)于主拱圈變形太大的拱橋，實(shí)際拱軸線與壓力線的偏離比較大，此時(shí)如果只是采用對(duì)拱圈截面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，已不能有效地改善主拱圈的受力狀況，這就需要對(duì)拱軸線和壓力線進(jìn)行調(diào)整，使之盡量吻合以改善主拱圈的受力。一般通過采用不同單位重的拱上填料、改變拱上填料厚度或者在主拱拱背上增加配重等措施，改變實(shí)際壓力線的位置，使其與拱軸線吻合。但此時(shí)必須考慮到拱圈的承受能力，要首先進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，以便確定合理的調(diào)整方案，防止不恰當(dāng)?shù)卦黾庸吧虾爿d，危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。而對(duì)于大跨度拱橋，在不影響全橋的安全性的情況下，拱背施加配重的方法是一個(gè)較好的選擇。
3、工程實(shí)例
以兩座不同類型的拱橋加固改造實(shí)例進(jìn)行數(shù)值分析，具體說明配重法的實(shí)施過程及所達(dá)到的效果。
3.1實(shí)例1
3.1.1工程概述
湖南省某橋全橋長(zhǎng)204米，主橋凈跨為2×50m石拱橋，主拱圈截面為板拱，板厚lm，于70年代末建成通車，主橋布置如圖2所示。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載為汽車-15級(jí)，掛車-80。經(jīng)過多年的運(yùn)營(yíng)，該橋橋面破碎，人行道和欄桿破損，加之該橋緊挨縣城，隨著該縣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原有的荷載等級(jí)不能滿足現(xiàn)在的通行要求，擬將荷載設(shè)計(jì)等級(jí)提高為汽車-2O級(jí)，掛車-100。
3.1.2實(shí)施方法及達(dá)到的效果
根據(jù)加固改造方案，橋梁在汽車-20級(jí)，掛車-100荷載等級(jí)下，僅拱腳截面的下緣出現(xiàn)拉應(yīng)力。經(jīng)數(shù)值計(jì)算，在兩拱第二橫墻以下拱圈部分施加對(duì)稱的配重（材料選用5號(hào)漿砌片石），如圖2所示。
在汽車-20荷載作用下，主橋在配重前后的內(nèi)力計(jì)算用有限元程序進(jìn)行，表1列出了拱圈在恒載作用下的拱腳、L／4截面和拱頂截面的內(nèi)力在施加配重前后的對(duì)比。
表1配重前后拱圈恒載內(nèi)力比較（單位：彎矩：kN•m；軸力kN；應(yīng)力MPa）
注：應(yīng)力值為恒栽十汽車十溫升的荷栽組合作用下的應(yīng)力值。彎矩和軸力值為恒栽作用下的內(nèi)力值，軸力以拉為正，以壓為負(fù)。表中“一“表示該項(xiàng)沒有計(jì)算。
從表1中可以清楚地看出，在未加配重前，拱腳截面的彎矩為1953.3kN•m，配重后，恒載彎矩減小為651.95kN•m，減小幅度達(dá)66.62％；軸力在未加配重前拱腳截面為16597.8kN，施加配重后拱腳截面的軸力為17525.1kN，僅增大不到6％。拱頂截面彎矩減小幅度更是達(dá)到了一倍以上，而相應(yīng)的軸力僅增大2.22％。應(yīng)力方面：未施加配重前，拱腳下緣的拉應(yīng)力為1.1953MPa，施加配重后，拱圈全截面基本受壓，而全拱圈在最不利荷載組合下的最大壓應(yīng)力為4.08MPa，也就是說，在施加配重后，即使在增大拱圈恒載的基礎(chǔ)上，截面的最大壓應(yīng)力也滿足規(guī)范要求。由此可見，施加配重后，壓力線與拱軸線的偏離被顯著地減小了，取得了非常明顯的效果。
3.2實(shí)例2
3.2.1工程概述
湖南省某特大橋全長(zhǎng)800米、橋面縱坡為2.5％的坡拱橋，于90年代初建成通車。主橋?yàn)?孔130米箱形板拱，箱高1.8米，上部設(shè)雙柱式排架支承縱梁，并配橫向分布的橋面板。引橋?yàn)?孔63米的單箱肋拱，箱高1.4米，上部設(shè)雙柱式排架支承縱梁，并配橫向分布的橋面板，主橋結(jié)構(gòu)布置圖如圖3所示。設(shè)計(jì)荷載為汽-20、掛-103。近年發(fā)現(xiàn)該橋出現(xiàn)較多裂縫，行車時(shí)震感強(qiáng)烈，對(duì)該大橋進(jìn)行了驗(yàn)算，該橋存在主、引橋主拱圈強(qiáng)度不夠以及引橋穩(wěn)定性不夠兩方面的問題，結(jié)構(gòu)不安全，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。
主橋左、右兩半拱的拱軸系數(shù)均偏離原設(shè)計(jì)的理論值，表現(xiàn)為左半拱的拱軸系數(shù)減小，右半拱的拱軸系數(shù)增大（即左半拱變坦，右半拱變陡）；對(duì)第二孔而言，差異還很大。因此造成左半拱拱腳的恒載負(fù)彎矩比右半拱拱腳大很多，導(dǎo)致左半拱拱腳驗(yàn)算不易通過。為此需要在主橋的右半拱采用不對(duì)稱壓重的方法，來減小左半拱拱腳的恒載負(fù)彎矩，增大右半拱拱腳的恒功負(fù)彎矩，使兩處拱腳的恒載內(nèi)力趨于接近，然后通過進(jìn)一步增強(qiáng)拱圈截面，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固的目的。
3.2.2實(shí)施方法及達(dá)到的效果
配重位置如圖3所示。具體實(shí)施過程中，為保證配重施加的效果又考慮到主橋結(jié)構(gòu)的安全，分為兩期施加配重。首先對(duì)已有的裂縫缺陷進(jìn)行治理，同時(shí)進(jìn)行澆筑墩上加強(qiáng)系梁后，再對(duì)主橋拱圈施加第一期不對(duì)稱永久壓重。其次對(duì)拱座、拱圈進(jìn)行截面補(bǔ)強(qiáng)（增加受力主筋，澆筑補(bǔ)強(qiáng)混凝土）后，施加第二期不對(duì)稱壓重，以調(diào)整拱圈內(nèi)力。這樣既達(dá)到了施加配重，調(diào)整拱圈內(nèi)力的結(jié)果，又不至因增大恒載，造成對(duì)結(jié)構(gòu)安全的危害。
表2是僅僅施加第一期壓重（不對(duì)拱圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)）的前后拱圈內(nèi)力情況的對(duì)比。
表2第一期壓重前后拱圈截面彎矩比較（單位：kN•m）
由表2可以看出，在對(duì)主橋主拱圈施加第一期不對(duì)稱永久壓重后，拱腳截面的內(nèi)力得到了明顯改善，最大可達(dá)52％以上。
4、結(jié)語
在有大量拱橋需要進(jìn)行維修加固的今天，如何積極地引進(jìn)和開發(fā)舊橋加固、改造的先進(jìn)技術(shù)，更合理地確定加固、改造方案，使得危橋、舊橋能盡可能長(zhǎng)地發(fā)揮作用，對(duì)于將有限建設(shè)資金發(fā)揮更大效益有著重要的意義。實(shí)踐表明，配重法能明顯地改善拱圈內(nèi)力，將壓力線與拱軸線的偏離明顯減小，在拱橋加固、改造的過程中不失為一種可付諸實(shí)踐、值得借鑒的方法。
