淺析大跨徑拱橋加固工程設(shè)計(jì)方法
2015-09-22
大跨徑拱橋的加固方案通常包括較復(fù)雜的施工內(nèi)容與步驟，在全橋加固過(guò)程中，常須采用增大截面法或粘貼法等增強(qiáng)主拱圈、加固拱上建筑與拆除和更換橋面系。無(wú)鉸拱屬于三次超靜定結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的加固施工過(guò)程中因拱結(jié)構(gòu)自身的加固增強(qiáng)而帶來(lái)的剛度分布變化、拱上荷載加/卸載順序變化及其這兩方面的不同組合即采用不同施工次序?qū)嵤┘庸?，都?huì)對(duì)結(jié)構(gòu)在加固中及加固后的內(nèi)力分布產(chǎn)生顯著影響。更為重要的是，拱上建筑拆除過(guò)程中，主拱圈軸線與荷載壓力線的偏離越來(lái)越大，如果加固次序設(shè)計(jì)不合理極易造成拱圈開(kāi)裂等病害出現(xiàn)。因此，大跨徑拱橋加固過(guò)程中加固次序和加載程序設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)加固的安全性和結(jié)構(gòu)的承載力、承載狀態(tài)具有重要影響。就拱橋加固次序設(shè)計(jì)問(wèn)題，以一座石拱橋的加固為示范，進(jìn)行不同施工過(guò)程的內(nèi)力分析、比較，并提出合理的加固工序；并通過(guò)調(diào)整拱上建筑布載的位置，控制恒載壓力線與拱軸線的偏離以減小裸拱圈內(nèi)力，運(yùn)用影響線得出拱上建筑合理的調(diào)載工序。
一、合理加固次序設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)
為了使加固過(guò)程中拱橋處于安全狀態(tài)而加固后處于較理想的承載狀態(tài)中，必須保證主要承載構(gòu)件——主拱圈有足夠的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，同時(shí)設(shè)計(jì)良好的加固次序。對(duì)于加固中與加固后的拱橋，除了一些特殊狀態(tài)外結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題并不突出；結(jié)構(gòu)剛度，是通過(guò)加固完成后橋梁在活載作用下的撓度體現(xiàn)，因此其在加固過(guò)程中考慮也不多。簡(jiǎn)而言之，拱橋加固次序設(shè)計(jì)應(yīng)以主拱圈的強(qiáng)度即承載能力作為主要指標(biāo)。當(dāng)然，在加固次序確定后，須對(duì)加固過(guò)程中每個(gè)階段結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都作全面徹底計(jì)算以保證橋梁的安全。
1.1拱橋結(jié)構(gòu)承載能力關(guān)鍵參數(shù)——偏心距，拱橋的主要承載構(gòu)件——主拱圈，通常各截面上同時(shí)存在彎矩和軸力，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行分析。在壓彎構(gòu)件的承載能力計(jì)算中，截面上合力的偏心距是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于圬工拱橋，根據(jù)偏心距在不同的范圍須采用不同的方法、公式計(jì)算承載能力。根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)偏心距 e ≤ [e0]（e＝M/N，M 和 N 分別為截面上的彎矩和軸力）時(shí)，采用式（1）計(jì)算承載力：
?。?）
當(dāng) e＞[e0]，則用式（2）計(jì)算截面抗力：?jiǎn)蜗蚱模海?a）
雙向偏心：（2b）
理論分析與大量橋梁計(jì)算結(jié)果都表明，采用式（2）右側(cè)算式計(jì)算得到的抗力通常小于荷載效應(yīng)，而式（1）右式計(jì)算所得承載能力常滿足要求，即：當(dāng)截面上合力偏心距 e≤[e0]則截面承載力足夠，反之則不足。據(jù)此，筆者以偏心距 e 與[e0]之間的相對(duì)關(guān)系反應(yīng)結(jié)構(gòu)承載能力是否滿足。在加固次序設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算各截面偏心距 e，并確保 e 始終在其容許值[e0]的包絡(luò)范圍內(nèi)；如果在某階段不滿足 e≤[e0]，則對(duì)加固次序進(jìn)行調(diào)整直至e不超限為止。在拱橋加固施工次序確定后，須對(duì)每個(gè)施工階段承載力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保加固過(guò)程中各截面的承載能力始終滿足要求、結(jié)構(gòu)始終是安全和可靠的。因此，用偏心距及其容許值之間的相對(duì)關(guān)系刻畫(huà)承載力能否滿足是合理、有效的。
1.2 偏心距影響線
為了充分利用偏心距 e 輔助加固次序設(shè)計(jì)，引入了“偏心距影響線”的概念。偏心距影響線，是指當(dāng)移動(dòng)的單位荷載作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)某截面的合力偏心距的變化規(guī)律（曲線）；根據(jù) e 的計(jì)算方法可由彎矩M和軸力N的影響線計(jì)算得到偏心距影響線，即將截面的 M 影響線的影響量值除以其N 影響線上對(duì)應(yīng)位置的影響量值便得。偏心距影響線綜合體現(xiàn)了 M 影響線與 N 影響線的變化規(guī)律。偏心距影響線的重要作用，在于加（卸）載程序設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)它可以很直觀、方便且精確指出在拱上哪個(gè)區(qū)段加載或卸載可以使該截面的合力偏心距增大或減小最多，即便于控制合力偏心距的變化。
1.3 拱橋合理加固次序設(shè)計(jì)的主要措施與技術(shù)手段
拱橋加固次序設(shè)計(jì)須將拱圈加固增強(qiáng)、拱上建筑拆除和重建、其它恒載的加和卸放在一起綜合考慮；主拱圈因加固增強(qiáng)次序改變而發(fā)生全拱剛度和強(qiáng)度分布上的變化，從而導(dǎo)致體系的內(nèi)力分布規(guī)律隨之而變。從加固次序設(shè)計(jì)角度而言，這種隨施工進(jìn)行而來(lái)的結(jié)構(gòu)上的變化雖然增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但是合理利用后也可以成為一種調(diào)控的手段——通過(guò)控制結(jié)構(gòu)變化達(dá)到更優(yōu)的加固效果。因此，在拱橋合理加固次序設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用的主要措施與技術(shù)手段有：①主拱圈各區(qū)段加固增強(qiáng)次序的調(diào)整；②加（卸）載程序設(shè)計(jì)；③必要時(shí)，采用配重調(diào)整。總之，從原理上講，拱橋合理加固次序設(shè)計(jì)是通過(guò)控制施工過(guò)程中偏心距 e 不超過(guò)其容許值[e0]來(lái)實(shí)現(xiàn)的；具體實(shí)現(xiàn)的手段，包括調(diào)整拱圈加固次序、加（卸）載序次序與配重。在上述調(diào)控過(guò)程中，達(dá)到加固過(guò)程中結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)下、加固后處于較理想的承載狀態(tài)的目的。
二、加固次序設(shè)計(jì)方法——階線法
2.1 加固次序設(shè)計(jì)方法——階線法及步驟在筆者提出的加固次序設(shè)計(jì)方法——階線法中，階線是指將各加固階段截面合力偏心距的控制值為縱坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)加固階段次序號(hào)為橫坐標(biāo)的點(diǎn)依次連接而得到的線，這條線通常是隨加固次序變化而變的線。
階線法總體思路為：選定控制截面并繪制相應(yīng)狀態(tài)下的偏心距影響，建立截面偏心距階線圖；初始狀態(tài)下（N＝0），在階線圖上點(diǎn)出偏心距實(shí)際值及其在截面上、下緣的容許值對(duì)應(yīng)點(diǎn)（即上、下階線點(diǎn)），并將上階線點(diǎn)和橫軸與下階線點(diǎn)和橫軸之間的距離分別等分為 m 段（本文中 m＝4）以形成后續(xù)的控制階線、共對(duì)應(yīng) m+1 條階線；選擇第 n（≤m+1）條階線作為后續(xù)設(shè)計(jì)的控制（階）線；在加固次序設(shè)計(jì)的每個(gè)階段中，根據(jù)當(dāng)前階段實(shí)際偏心距值與控制階線之間的相對(duì)關(guān)系，在偏心距影響線上選擇合適的加固/加載內(nèi)容后計(jì)算出下一階段的偏心距與控制階線點(diǎn)位，并確保實(shí)際偏心距在控制值范圍內(nèi)；采用相同的辦法完成全部加固階段的先后次序安排。采用階線法設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議：
2.1.1將全部加固施工內(nèi)容按其對(duì)截面產(chǎn)生的效果進(jìn)行分類，比如按采用該項(xiàng)加固措施后使截面偏心距增大或減小而將所有的加固內(nèi)容分為兩大類；這樣在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)需要從兩類中快速選取合適者。
2.1.2為使結(jié)構(gòu)在加固過(guò)程中，變形、受力均平穩(wěn)，從整個(gè)加固過(guò)程全局入手應(yīng)避免相鄰兩個(gè)階段偏心距出現(xiàn)大起大落。
2.1.3在加固項(xiàng)目中，諸如增大截面所在的主拱圈區(qū)段施工將直接改變截面重要參數(shù)，這些階段應(yīng)安排在偏心距值最大或最小階段之前。
2.1.4宜結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以提高速度。需指出，采用階線法只能提供給特定圬工拱橋加固的一個(gè)可用的先后次序，這個(gè)加固程序并不是一個(gè)最優(yōu)的。但是，采用類似的方法通過(guò)迭代過(guò)程能將已有的加固次序按約束條件或指標(biāo)逐步優(yōu)化。
2.2 加固次序確定后的驗(yàn)算與監(jiān)測(cè)
為保證加固的安全順利實(shí)施，在加固次序確定后須驗(yàn)（計(jì)）算：①在所有階段承重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求；②如出現(xiàn)裸拱狀態(tài)在自重與荷載作用下其縱、橫向穩(wěn)定性是否滿足要求；③在所有階段主拱圈撓度控制點(diǎn)的撓度值。在整個(gè)加固施工過(guò)程中，須認(rèn)真監(jiān)測(cè)各撓度控制點(diǎn)的撓度，并與上述計(jì)算結(jié)果對(duì)比。當(dāng)實(shí)測(cè)撓度過(guò)大或出現(xiàn)不對(duì)稱變形等異常現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即分析原因，并及時(shí)采用措施或調(diào)整加固次序。
