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復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用
2013-01-11 
概述

  加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)。加固往往是在原結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在荷載作用(一般是在原結(jié)構(gòu)未卸載或未完全卸載)的情況下進(jìn)行,原結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著應(yīng)力和變形。新增強(qiáng)部分在是在自身強(qiáng)度形成以后,才開始參與承擔(dān)后來的新增荷載,因此加固層的應(yīng)力和應(yīng)變均滯后于原結(jié)構(gòu)。目前,對于加固后橋梁結(jié)構(gòu)承載力計算方法取用存在分歧[1]:一類是以彈性理論為基礎(chǔ),考慮結(jié)構(gòu)具有一定安全儲備和富余量的“容許應(yīng)力法”;另一類是以概率理論為基礎(chǔ),將材料性能和參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力模式等因素運用數(shù)理統(tǒng)計方法處理的“極限狀態(tài)法”。

  本文結(jié)合貴州省興義市樓下長征橋(雙跨空腹式石拱橋)加固設(shè)計,探究石拱橋加固、補(bǔ)強(qiáng)后橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的計算方法。

  1、工程背景

  樓下長征橋位于興義市馬(嶺)(普)安公路上,1980年3月建成通車。上部結(jié)構(gòu)為2×24m兩跨空腹式石拱,主拱圈矢高為6.1m,矢跨比1/4,主拱圈厚0.85m,橋面寬度8.5m為25cm厚混凝土板;普安岸拱腳嵌入基巖,興義岸拱腳設(shè)在石料堆填拱座上,中墩基礎(chǔ)為混凝土澆筑。

  隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與交通運輸快速發(fā)展,原橋設(shè)計荷載等級(汽車-13級、掛-60)已不能滿足日益增長的車輛荷載需要。需對原結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng),將荷載等級提高到公路汽-20、掛-100(以下簡稱加固荷載)。主拱圈材料按80#塊石、7.5號砂漿砌體考慮。砌體彈性模量取值:E=1.05x107KN/m2.剪切模量?。篏=4.2x106.升溫溫度13°,降溫溫度按14°考慮。檢測報告中判斷中墩有明顯下沉,但主拱圈外觀線性平順,未見拱圈開裂等病害。

  驗算荷載組合為:

  組合Ⅰ:恒載(結(jié)構(gòu)重力)+汽車;

  組合Ⅱ:恒載(包括結(jié)構(gòu)重力、基礎(chǔ)變位影響力)+溫度影響力+汽車;

  組合Ⅲ:恒載(結(jié)構(gòu)重力)+掛車。

  原橋結(jié)構(gòu)計算分析見表1.1-表1.2[3][4]。

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

  圖1 原橋結(jié)構(gòu)圖 
 
  表1.1原橋主拱圈加固荷載加固前承載力計算(單位:KN m)

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

  表1.2原橋主拱圈加固荷載應(yīng)力計算(單位:Mpa)

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究
 
   注:表中數(shù)值,正值為拉應(yīng)力,負(fù)值為壓應(yīng)力。

  由表1.1得出,將荷載等級提高到公路汽-20、掛-100。原主拱結(jié)構(gòu)中墩拱腳處正截面受力計算模式為大偏心受壓構(gòu)件,在最不利荷載作用下構(gòu)件的允許承載力安全度僅為0.2。由表1.2得出,以允許應(yīng)力法計算,原主拱結(jié)構(gòu)中墩拱腳處正截面最不利荷載作用下最大拉應(yīng)力復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究 =0.64Mpa大于石料彎曲抗拉極限強(qiáng)度0.54Mpa。因此,中墩拱腳處控制截面承載力、應(yīng)力驗算均不滿足,故需要加固補(bǔ)強(qiáng)。

  2、  復(fù)合主拱圈加固

  鋼筋混凝土復(fù)合主拱圈加固技術(shù)主要是針對石拱橋的主要受力構(gòu)件—主拱圈因發(fā)生拱軸線變形、主拱圈開裂等病害而引起整個結(jié)構(gòu)承載力不足或構(gòu)件局部功能失效而提出的一種加固方法[1]。該方法通過在原主拱圈拱腹和兩側(cè)增設(shè)一層鋼筋混凝土板來增大主拱圈截面面積和慣性矩,由于鋼筋混凝土加固層與原主拱圈形成復(fù)合主拱圈協(xié)調(diào)變形[2],共同承擔(dān)活載作用,增大了截面抵抗矩,從而達(dá)到加固舊橋的目的。

  按照極限狀態(tài)法的設(shè)計理論與方法[5]加固后主拱圈強(qiáng)度計算公式如下[1]:

  γ0Nd≤¢A fcd   (2.1)

  式中:γ0Nd—荷載效應(yīng),包括新增設(shè)鋼筋混凝土加固層恒載在內(nèi)的最不利荷載組合計算值;

   A—主拱圈截面面積,A=A0+η1A1, A0為原主拱圈的截面面積,A1為加固層的截面面積,η1= fcd1/ fcd0, fcd1加固層的極限強(qiáng)度,fcd0為原主拱圈的極限強(qiáng)度;

  ¢—構(gòu)件軸向力的偏心距e和長細(xì)比對受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù),按規(guī)范的相關(guān)條文計算。fcd—拱圈材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,對于復(fù)合主拱圈加固技術(shù)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)層的強(qiáng)度。

  按照允許應(yīng)力設(shè)計方法計算加固后橋梁承載能力。加固前,在自身恒載作用下,拱圈邊緣的恒載應(yīng)力滿足復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究。(復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究為加固前橋梁在恒載作用下主拱圈邊緣應(yīng)力,復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究為主拱圈邊緣應(yīng)力極限值)加固后,由于復(fù)合主拱圈的共同作用,原主拱圈邊緣應(yīng)力變?yōu)楹爿d作用下產(chǎn)生的應(yīng)力(截面特性采用原主拱圈)和活載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力(截面特性采用復(fù)合主拱圈)的疊加[1]。主拱圈的壓應(yīng)力計算公式為:
  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究 (2.2) 

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究 (2.3)
 
  式中:復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究、復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究-原主拱圈在恒載(包括套箍層自重)作用下的縱向力和彎矩值總和;

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究-復(fù)合主拱圈在活載作用下的縱向力和彎矩值總和;

  A1—復(fù)合主拱圈面積;

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究、復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究-分別為套箍層和原主拱圈層的極限強(qiáng)度;

  I1-復(fù)合主拱圈在彎曲平面內(nèi)的截面慣性矩;

  y1-截面重心至偏心方向原主拱圈邊緣的距離;

  拉應(yīng)力計算公式為:
  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

 ?。?.4)
 
  式中:復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究-截面重心至非偏心方向原主拱圈邊緣的距離。

  3、加固有限元模型與計算結(jié)果

  加固方法:在原橋拱圈底面種植鋼筋,全拱圈截面澆筑10cm厚的鋼筋混凝土加厚層,同時在拱圈底面澆筑4道順橋向的鋼筋混凝土拱肋,每道拱肋厚50cm,寬100cm,通過增大主拱圈截面來增加拱橋的承載力及穩(wěn)定性。如圖2-圖3所示。

  同時在墩身及臺身上種植鋼筋,澆筑鋼筋混凝土加厚層增大臺身、墩身截面,從而滿足上部新增拱圈對下部結(jié)構(gòu)的要求。

  增設(shè)拱肋加固方法加固施工工藝流程:搭設(shè)支架—主拱圈表面鑿毛—植筋—布置縱橫向鋼筋—現(xiàn)澆混凝土加固層—養(yǎng)護(hù)成形—清理拆架

  極限承載力計算:將加固層混凝土按照面積換算法(即保持混凝土高度不變,利用彈性模量比進(jìn)行換算)統(tǒng)一換算為石砌體[2],換算截面看做由勻質(zhì)彈性材料組成的截面來計算。

  容許應(yīng)力法的計算:采用有限元計算軟件Midas建立模型,對于加固后模型的建立通過定義施工階段,將原橋作為第一施工階段,加固層作為第二施工階段,利用施工階段中的截面聯(lián)合功能將加固層與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合。

  加固前后計算結(jié)果如表3.1-表3.3所示。加固措施將中墩拱腳大偏心受壓構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑氖軌簶?gòu)件,同時減小荷載作用下主拱圈截面拉應(yīng)力。

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

  圖2 復(fù)合主拱圈加固縱橫斷面圖

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

  圖3 結(jié)構(gòu)有限元計算模型

  表3.1增設(shè)拱肋加固法加固后主拱圈承載力計算(單位:KN m)

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究

  表3.2增設(shè)拱肋加固法加固后主拱圈應(yīng)力計算(單位:Mpa)

  復(fù)合主拱圈加固雙跨空腹式石拱橋應(yīng)用與研究
 
   注:表中數(shù)值,正值為拉應(yīng)力,負(fù)值為壓應(yīng)力。

 
  表3.3加固前后地基承載力對比(單位:KN)

  
  4、結(jié)論

  加固后計算結(jié)論:由表1.1-表1.2和表3.1-表3.2的結(jié)果對比可以看出:盡管加固后總體荷載增加,但由于加固層與原結(jié)構(gòu)層共同作用,分擔(dān)了一部分內(nèi)力,從而使原結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力水平降低,大部分截面的應(yīng)力由加固前的拉應(yīng)力變?yōu)榧庸毯蟮膲簯?yīng)力,原拱圈的應(yīng)力狀況有所改善;加固層和原結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形、共同作用形成了一個復(fù)合主拱圈,提高了該橋的極限承載能力。橋墩拱腳處承載力安全度由0.2增加到3.21,加固后,拱圈各控制截面的承載能力能夠滿足汽車-20級、掛-100荷載的通行要求。加固后地基承載能力滿足要求。
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