等穩(wěn)定法

摘 要：箱肋拱橋的短系桿常常在長(zhǎng)系桿還完好的情況下產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。其主要原因是短系桿剛度大，在橋梁板較大水平位移的影響下，產(chǎn)生很大的桿端內(nèi)力，從而引起開裂破壞，因此，本文提出按長(zhǎng)系桿的穩(wěn)定度改造短系桿的方法，即等穩(wěn)定法。經(jīng)改造前后應(yīng)力比較，得出此加固改造方法是可行的。

關(guān)鍵詞：加固； 短系桿； 等穩(wěn)定； 桿端內(nèi)力； 最大應(yīng)力

上承式箱肋拱橋的系桿是要起支承受力作用的，特別是橋梁板是由先預(yù)制后現(xiàn)澆疊合而成的梁板時(shí)，起支承作用的每組等長(zhǎng)系桿共同支承對(duì)應(yīng)的蓋梁和橋梁板，系桿除承受豎向荷載外，還要承受橋梁板水平變位引起的桿端力，若橋梁板水平變位過(guò)大，則往往給支承系桿帶來(lái)病害，常見的有系桿下端的底梁產(chǎn)生裂縫，甚至是引起箱肋拱被撕裂；短系桿本身出現(xiàn)豎向斜裂紋，嚴(yán)重的出現(xiàn)豎向崩裂。而長(zhǎng)支承系桿一般不出現(xiàn)病害，最多也就是在表面出現(xiàn)不影響受力的橫柱向細(xì)微裂縫。

湖南省衡陽(yáng)云集湘江大橋于2002年建成，因伸縮縫堵塞未得到及時(shí)清理和維護(hù)，引起橋梁板向河中跨產(chǎn)生過(guò)大變位，使得邊跨上承式箱肋拱橋系桿受損嚴(yán)重，已不得不于2014年進(jìn)行加固改造，為了消除橋梁板變位引起系桿的破壞，采用將原來(lái)橋梁板與蓋梁的固定鉸聯(lián)結(jié)改為可動(dòng)鉸聯(lián)結(jié)，使橋梁板與蓋梁形成互動(dòng)的加固方法。全橋改造加固預(yù)算費(fèi)用為1400萬(wàn)元，實(shí)際費(fèi)用達(dá)1700萬(wàn)元。

將固定鉸聯(lián)結(jié)改為可動(dòng)鉸聯(lián)結(jié)，將連動(dòng)改為互動(dòng)的加固方法：1、先要鑿除橋面現(xiàn)澆層舊混凝土，再抬起原預(yù)制橋梁板；2、先在橋梁板與系桿頂梁之間增設(shè)橡膠和不銹鋼板組成的可動(dòng)鉸支座，再安放好原預(yù)制橋板后；3、重新現(xiàn)澆新面層混凝土形成新橋梁板；4、最后用鋼板或環(huán)氧砼加固短系桿柱。此法工程量大、工序多、費(fèi)用高，能否有更簡(jiǎn)單的方法，花費(fèi)更少的資金，達(dá)到同樣保護(hù)短系桿，使之不破損的效果呢？作者經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和潛心研究，提出等穩(wěn)定加固法。

1.加固改造原理

一般長(zhǎng)系桿和短系桿均做成等截面，當(dāng)橋梁板產(chǎn)生大的變位時(shí)，短系桿受到損壞，但長(zhǎng)系桿卻不受影響，仍處于正常狀態(tài)，即長(zhǎng)系桿的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足支承受力要求。短系桿的破壞主要是剛度過(guò)大，在與長(zhǎng)系桿同樣的頂端位移條件下，產(chǎn)生的桿端彎矩和剪力要大得多，這些過(guò)大的桿端彎矩和過(guò)大的桿端剪力引起了短系桿的破壞。

如圖5當(dāng)短桿的橫截面高度 等于長(zhǎng)系桿的橫截面高度 時(shí)，其桿端內(nèi)力：

式中 是長(zhǎng)系桿對(duì)中性軸Z的慣性矩。

此種情況下，若能減小短系桿剛度，使得同樣大的桿端位移條件下，桿端彎矩和剪力大大減小，那么，短系桿也能處于正常工作狀態(tài)。

但在減小短系桿剛度的同時(shí)，要保證其減小后的剛度仍能滿足穩(wěn)定性要求，短系桿不能先于長(zhǎng)系桿失穩(wěn)?；诖?，按與長(zhǎng)系桿等穩(wěn)定來(lái)加固短系桿，以達(dá)到降低短系桿應(yīng)力，保護(hù)短系桿不破壞的目的。

減小剛度，實(shí)際上只能減小慣性矩Iz值。由長(zhǎng)短系桿變形圖5可知，從中間彎矩為零的拐點(diǎn)處截?cái)?，得圖7所示系桿軸向受壓圖，按長(zhǎng)短系桿等穩(wěn)定的原則，確定短系桿截面高度 ，從而減小短系桿剛度。從圖7有，

當(dāng) 時(shí)，長(zhǎng)系桿和短系桿能處于等穩(wěn)定狀態(tài)

即

由表知：當(dāng)短系桿是長(zhǎng)系桿的1/3長(zhǎng)時(shí)，短系桿截面高度只需0.48倍長(zhǎng)系桿截面高；當(dāng)短系桿小于長(zhǎng)系桿的1/6長(zhǎng)時(shí)，短系桿只需0.30倍長(zhǎng)系桿截面高度就與長(zhǎng)系桿等穩(wěn)定。

2.加固改造方法

根據(jù)前面的分析，若橋梁板預(yù)計(jì)在運(yùn)營(yíng)中過(guò)程中有可能出現(xiàn)大的變位，則在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，就可將短系桿按以下原則設(shè)計(jì)，以避免出現(xiàn)上述破壞情況。

1、 當(dāng)短支承系桿長(zhǎng)度小于長(zhǎng)系桿的1/6時(shí)，分成三肢按圖8（a）設(shè)計(jì)；

2、 當(dāng)短支承系桿小于等于長(zhǎng)系桿的1/4時(shí)，分成二肢按圖8（b）設(shè)計(jì)。

按1和2項(xiàng)原則設(shè)計(jì)的短系桿，在新建橋梁時(shí)，施工可以實(shí)現(xiàn)。圖8（a）中窄縫可以在現(xiàn)澆支承短系桿時(shí)插入鋁片，鋁的熱脹系數(shù)是混凝土的兩倍，現(xiàn)澆完成后，可以很容易地抽出。但在加固改造舊橋梁時(shí)則不易實(shí)現(xiàn)，甚至是不可行的。因?yàn)榇藭r(shí)的短系桿上有蓋梁，系桿中間部分無(wú)法澆灌混凝土。實(shí)際施工中，考慮到盡量簡(jiǎn)便可行的原則，超短系桿和短系桿一般也做成同樣大的截面。這樣，進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)可做成如圖9（b）和（c）所示兩肢的截面形狀。

舊橋加固施工方法：

1、分別在每一系桿邊用相應(yīng)千斤頂頂住蓋梁；

2、鑿除短系桿破裂的混凝土，露出鋼筋；

3、支模板，并在兩側(cè)形成澆灌混凝土的半漏斗口；

4、用膨脹劑配制的混凝土灌注成如圖9所示形狀短系桿。

3.加固改造前后最大應(yīng)力比較

由于截面高度的減小，使得截面慣性矩減小，即支承短系桿的剛度減小。桿端內(nèi)力只與桿端位移和桿的線性剛度有關(guān)，在同一橋面板的變位影響下，系桿的桿端內(nèi)力隨剛度的減小而減小，此時(shí)，破壞應(yīng)力是否也減小呢？計(jì)算時(shí)支承短系桿的只需以單肢進(jìn)行彎矩應(yīng)力剪切應(yīng)力的計(jì)算比較，由于軸向壓應(yīng)力被平分到兩肢上，仍以雙肢計(jì)算比較。計(jì)算后結(jié)論如下：

加固改造后彎矩引起的應(yīng)力只是原來(lái)的0.4倍；加固改造后軸向壓力引起的正應(yīng)力是原來(lái)的1.25倍。增大了1/4；加固后主拉應(yīng)力不到加固前的0.39倍。而軸力的增加只需增加少量的豎向配筋就可以了，而開裂破壞現(xiàn)象就能消除掉。

同時(shí)主拉應(yīng)力 的降低，不僅減少了混凝土受拉破壞的可能，由圖10混凝土的二軸抗拉/壓（T/C）破壞強(qiáng)度可知，此時(shí)其抗壓強(qiáng)度也大大提高。由此得出結(jié)論：等穩(wěn)定加固改造法能有效防止短系桿過(guò)早于長(zhǎng)系桿產(chǎn)生破壞，從而達(dá)到加固的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 過(guò)鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 周志祥.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社 [3] 于光瑜、秦惠民.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社

[4] 裘伯永、盛興旺、喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[5] 張濤.剛性系桿柔性系桿拱橋模型試驗(yàn)研究[J].世界橋梁，2010.2

[6] 李俊偉、徐錫燕、安鳴曉、馮泉鈞.系桿拱橋吊桿改革的新構(gòu)思[J].交通科技，2010-10.

[7] 劉軍.系桿拱橋力學(xué)特性與穩(wěn)分析[D].大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.6

[8] 葉梅新、王月.橫向連接系對(duì)下承式鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響[J].黑龍江科技信息，2008-10

[9] 易倫雄、張曄芝加、徐樹雷.客運(yùn)專線剛架系桿拱橋受力狀態(tài)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.7

[10] 葉桂春.系桿拱橋在嘉于硤航道改造橋梁工程上的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2011.15

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【文章編號(hào)】1627-6868（2017）05-0031-03

【作者簡(jiǎn)介】朱耀淮（1962-），男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，工程研士，教研室主任，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與計(jì)算。