淺析大跨徑拱橋加固工程設(shè)計方法
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。無鉸拱屬于三次超靜定結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜的加固施工過程中因拱結(jié)構(gòu)自身的加固增強(qiáng)而帶來的剛度分布變化、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?，都會對結(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，拱上建筑拆除過程中，主拱圈軸線與荷載壓力線的偏離越來越大，如果加固次序設(shè)計不合理極易造成拱圈開裂等病害出現(xiàn)。因此，大跨徑拱橋加固過程中加固次序和加載程序設(shè)計是關(guān)鍵問題，對加固的安全性和結(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)計問題，以一座石拱橋的加固為示范，進(jìn)行不同施工過程的內(nèi)力分析、比較，并提出合理的加固工序；并通過調(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)計的理論基礎(chǔ)
為了使加固過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，同時設(shè)計良好的加固次序。對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)定性問題并不突出；結(jié)構(gòu)剛度，是通過加固完成后橋梁在活載作用下的撓度體現(xiàn)，因此其在加固過程中考慮也不多。簡而言之，拱橋加固次序設(shè)計應(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，須對加固過程中每個階段結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都作全面徹底計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)件的承載能力計算中，截面上合力的偏心距是一個關(guān)鍵參數(shù)。對于圬工拱橋，根據(jù)偏心距在不同的范圍須采用不同的方法、公式計算承載能力。根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(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，采用式（1）計算承載力：
（1）
當(dāng) e＞[e0]，則用式（2）計算截面抗力：單向偏心：（2a）
雙向偏心：（2b）
理論分析與大量橋梁計算結(jié)果都表明，采用式（2）右側(cè)算式計算得到的抗力通常小于荷載效應(yīng)，而式（1）右式計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)計時，計算各截面偏心距 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，須對每個施工階段承載力進(jìn)行驗算，以確保加固過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關(guān)系刻畫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，引入了“偏心距影響線”的概念。偏心距影響線，是指當(dāng)移動的單位荷載作用于結(jié)構(gòu)上時某截面的合力偏心距的變化規(guī)律（曲線）；根據(jù) e 的計算方法可由彎矩M和軸力N的影響線計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)計過程中通過它可以很直觀、方便且精確指出在拱上哪個區(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)計的主要措施與技術(shù)手段
拱橋加固次序設(shè)計須將拱圈加固增強(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)計角度而言，這種隨施工進(jìn)行而來的結(jié)構(gòu)上的變化雖然增加了設(shè)計的復(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)計時，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；③必要時，采用配重調(diào)整。總之，從原理上講，拱橋合理加固次序設(shè)計是通過控制施工過程中偏心距 e 不超過其容許值[e0]來實現(xiàn)的；具體實現(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)控過程中，達(dá)到加固過程中結(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)計方法——階線法
2.1 加固次序設(shè)計方法——階線法及步驟在筆者提出的加固次序設(shè)計方法——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)、對應(yīng)加固階段次序號為橫坐標(biāo)的點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），在階線圖上點出偏心距實際值及其在截面上、下緣的容許值對應(yīng)點（即上、下階線點），并將上階線點和橫軸與下階線點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、共對應(yīng) m+1 條階線；選擇第 n（≤m+1）條階線作為后續(xù)設(shè)計的控制（階）線；在加固次序設(shè)計的每個階段中，根據(jù)當(dāng)前階段實際偏心距值與控制階線之間的相對關(guān)系，在偏心距影響線上選擇合適的加固/加載內(nèi)容后計算出下一階段的偏心距與控制階線點位，并確保實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)計過程中，建議：
2.1.1將全部加固施工內(nèi)容按其對截面產(chǎn)生的效果進(jìn)行分類，比如按采用該項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)計過程中可以根據(jù)需要從兩類中快速選取合適者。
2.1.2為使結(jié)構(gòu)在加固過程中，變形、受力均平穩(wěn)，從整個加固過程全局入手應(yīng)避免相鄰兩個階段偏心距出現(xiàn)大起大落。
2.1.3在加固項目中，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)合實際工程經(jīng)驗以提高速度。需指出，采用階線法只能提供給特定圬工拱橋加固的一個可用的先后次序，這個加固程序并不是一個最優(yōu)的。但是，采用類似的方法通過迭代過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算與監(jiān)測
為保證加固的安全順利實施，在加固次序確定后須驗（計）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的撓度值。在整個加固施工過程中，須認(rèn)真監(jiān)測各撓度控制點的撓度，并與上述計算結(jié)果對比。當(dāng)實測撓度過大或出現(xiàn)不對稱變形等異?，F(xiàn)象時，應(yīng)立即分析原因，并及時采用措施或調(diào)整加固次序。
