空腹式石拱桥拱上填料拆除施工方案分析

2015-01-12王一飞

山西交通科技 2015年3期

王一飞

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

石拱桥是一种造型美观、承载潜力大、方便就地取材的桥型，在我国具有悠久的历史。随着运营时间的增加，早期修建的石拱桥均出现不同程度的病害，尤其是主拱圈裂缝和桥面系，目前常用的加固方法是卸载法，即将原有拱上填料换成更轻质的材料，在主拱圈加固完成后再按拆除顺序相反的工序回填。由于石拱桥材料抗拉强度低，加之空腹式结构本身受力状态复杂，所以该类型桥梁在施工阶段，特别是拆除施工阶段的受力特点尤为重要，拟通过一座实桥拱上填料的拆除分析，对该类桥梁拆除施工阶段的受力特点进行深入研究[1]。

1 桥梁概况

本文所述需要拆除的桥梁为一座空腹式石拱桥，主拱跨径为3-净16 m，腹拱跨径为净2 m。主拱圈厚度为0.8 m、腹拱圈厚度为0.3 m。主拱圈为无铰拱；主拱圈顶最大填料厚度为135 cm，最小填料厚度为65 cm；腹拱圈顶最大填料厚度为120 cm，最小填料厚度为65 cm。下部结构为重力式墩台，扩大基础，拱圈、立墙及墩台身材料为浆砌块石（见图1）。

该桥本次需要拆除的部位为全桥桥面系及拱上填料均全部拆除，主拱圈及部分腹拱圈进行加固处理。

图1 桥型布置图

2 拱上填料拆除方案

限于篇幅，仅对该桥拱上填料的拆除过程进行优化分析，初步拟定以下3种拆除方案[2]。

2.1 方案一

主要考虑到节约时间、方便施工。具体实施方案：从中跨跨中依次向两桥台处对称拆除拱上填料，横桥向一次性拆除。

2.2 方案二

主要考虑到全桥拆除过程中各阶段受力均衡，方便施工。具体实施方案：从中跨跨中依次向两桥台处对称拆除拱上填料，横桥向分3次拆除（见图2）。

图2 方案一、二拆除工序图

2.3 方案三

同时考虑到全桥、每跨及腹拱跨的受力均衡。具体实施方案：从主跨每跨跨中依次对称向拱脚处拆除拱上填料，横桥向分3次拆除（见图3）。

图3 方案三拆除工序图

3 计算图示及单元划分

为了模拟全桥拱上填料拆除过程，本次分析采用Midas杆系进行拆除施工模拟，材料的容重、弹模等计算参数按规范取值。其中每孔主拱圈纵桥向划分为20个单元，从第一跨到第三跨依次编号为1～60号单元；每孔腹拱圈划分为8个单元，依次编号为61～156号（见图4）。

图4 单元划分图

4 拆除施工计算结果及分析

由于本次计算单元划分较密，为了表达清晰直观，仅以图示方式显示各方案的最不利工况计算结果，如图5所示。

图5 各方案最不利阶段结构应力状态

由图5可见，方案一中当5、8号腹拱顶填料被完全拆除时，墩顶立墙根部的最大拉应力为1.301 MPa，远超过圬工砌体的抗拉强度。

方案二中当5、8号腹拱顶填料被完全拆除时，墩顶立墙根部的最大拉应力为0.287 MPa，同样超过圬工砌体的抗拉强度。

方案三中当 4、5、8、9 号腹拱顶填拆完后，1、2、4、5、7、8 号立墙根部最大拉应力为 0.063 MPa，低于圬工材料的抗拉设计强度。

从3种方案的计算结果来看，方案一拆除施工阶段划分少，计算简单，主要考虑全桥对称拆除，主拱圈及墩身受力均衡，但未考虑到墩顶立墙局部的受力状态；方案二主要考虑采用分块拆除的方案，对方案一进行了优化，横桥向分3次拆除，尽可能降低施工过程中的应力变化，但应力依然较大；方案三同时考虑每一跨拆除过程上的对称性，以及墩顶腹拱和立墙受力的均衡性，横桥向同样分3次拆除，结构整体及各部件受力状态更加合理，拉应力水平比其他两种方案有明显的降低。