CN112231797B - 基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拱上填料的拱桥及路‑桥过渡段力学分析方法。该方法主要包括以下步骤：1)通过有限元仿真分析路‑桥过渡段受力状态，获得轻质混凝土层和级配碎石层的厚度关系；2)配制轻质混凝土填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述轻质混凝土层；3)配制级配碎石填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述级配碎石层，且所述级配碎石层与所述轻质混凝土层的厚度关系为1：(3～7)。该方法能够显著提高拱桥结构的承载能力、耐久性和行车舒适性，延长桥梁使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程施工技术领域，更具体地说，本发明涉及基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法。
背景技术
由于圬工拱桥拱圈是曲线型，一般情况下车辆无法直接在弧面上行驶，所以在行车道系与拱圈之间需要有传递荷载的构件和填充物，这些填充物统称为拱上填料。拱上填料起到了分散桥面荷载、削弱车辆振动荷载影响、降低拱角水平位移作用、以及限制拱圈变形的围压效应等。
传统的拱上填料通常都会出于成本原因而就地取材，常采用炉渣、矿渣或砂石、砂、砾石等透水性材料来填筑并加以夯实，但因填料本身无结构作用、实践中难以压实，引起的桥面病害较多；当填料不易取材时，往往改用砌筑式拱上建筑，也就是采用干砌圬工或浇筑素混凝土作为拱上填料。传统拱上填料表观密度一般为1800-2450kg/m3，自重较大，使拱圈产生较大的内应力，不利于结构的受力。而且这些材料的透水性欠佳，雨水渗入后拱上填料自重增加，填料的膨胀也会对侧墙造成较大的侧压力，易使得侧墙开裂；同时，渗水淤积至拱圈，导致裂缝处钢筋锈蚀，锈蚀后钢筋膨胀引起混凝土剥落，使得拱桥的承载能力及耐久性能劣化。拱上沥青混合料桥面铺装在长期雨水侵蚀和车辆反复碾压下也易出现车辙、拥包、高低不平、局部坑槽、侧墙开裂、拱圈钢筋锈胀等病害，这也成为影响拱桥使用寿命的一个重要原因。此外，因此使用传统的拱上填料，根据现场条件直接填充，结构设计合理性差，行车舒适度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种承载能力强、耐久性好，行车舒适度高且使用寿命长的采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，主要包括以下步骤：
1)通过有限元仿真分析路-桥过渡段受力状态，获得轻质混凝土层和级配碎石层的厚度关系；
2)配制轻质混凝土填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述轻质混凝土层；
3)配制级配碎石填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述级配碎石层，且所述级配碎石层与所述轻质混凝土层的厚度关系为1：(3～7)。
在其中一个实施例中，所述轻质混凝土填料的表观密度为740kg/m 3～1980kg/m3。
在其中一个实施例中，还包括以下步骤：在所述级配碎石层上铺设水泥稳定碎石层，在所述水泥稳定碎石层上铺设水泥混凝土层，在所述水泥混凝土层上铺设沥青混凝土层。
在其中一个实施例中，所述水泥稳定碎石层的厚度为20cm-40cm，所述水泥混凝土层的厚度为8cm-12cm；所述沥青混凝土层的厚度为8cm-12cm。
在其中一个实施例中，所述轻质混凝土填料的材料选自无砂大孔混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、火山渣混凝土、自燃煤矸石混凝土和膨胀矿渣珠混凝土中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述级配碎石填料的材料选自开山块石、天然卵石或砂砾石的一种或多种破碎筛选而成。
在其中一个实施例中，所述级配碎石填料中针状和片状碎石的含量不大于15％。
在其中一个实施例中，所述轻质混凝土层碾压后的压实质量k30大于180Mpa/m。
在其中一个实施例中，所述级配碎石层与所述混凝土层的厚度关系为1：(4～6)。
在其中一个实施例中，所述级配碎石层与所述混凝土层的厚度关系为1：5。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，通过有限元模拟分析，并运用数值试验方法对采用轻质混凝土拱上填料的桥梁结构稳定性、桥面变形规律、路—桥过渡段的力学行为特性进行了深入分析，为加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料结构形式拱桥的设计参数提供了重要的定量依据，且结构设计合理性好，行车舒适度高。本发明还采用轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料结构形式，以发挥两种材料各自的优势。在这样的复合式拱上填料结构形式中，较薄的级配碎石填料层可以看作为桥面下部的柔性垫层或拱上填料的柔性面层，具有足够的柔性与水稳定性；而加筋轻质混凝土则可以看成复合式拱上填料的基层，为拱桥结构提供良好的强度、荷载传递和刚度过渡作用。采用这样的复合式拱上填料形式，可以：1)在保证填料强度和密实度的前提下，减轻填料自重，增强拱上结构的板体效果，提高填料的强度、刚度和整体性；2)减小了拱上填料对侧墙的挤压力，增强了拱上填料对桥面荷载的扩散能力，提高了其承载力；3)增强了拱上结构和桥面铺装的综合排水能力和抗变形能力，有助于解决拱桥桥面不均匀沉陷等问题；4)轻质混凝土流动性好。由于轻质混凝土中不含粗骨料，所以可以通过管道泵送施工，为了满足施工需要，其流动度可以控制在150-200mm。现浇轻质混凝土的最大输送距离为500m，最大泵送高度可以达到40m，具有良好的施工性能，无需振捣，或是只需少量的振捣工作，能够提高施工效率，解决由于施工困难所带来的施工技术难题；5)轻质混凝土可以利用工业废料为原材料，提高工业废料的资源化再生利用效率，达到降低桥梁的全寿命周期成本的目的。
综上可知，本发明采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，能够显著提高拱桥结构的承载能力、耐久性和行车舒适性，延长桥梁使用寿命，可推广应用于类似拱桥拱上填料更换或新建拱桥拱上填料施工的工程项目中，具有良好的经济和社会效益。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是根据本发明采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，提供了一种基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，主要包括以下步骤：
S11：通过有限元仿真分析路-桥过渡段受力状态，获得轻质混凝土层和级配碎石层的厚度关系。
具体地，1)为研究加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的力学性能及其动力特性，先开展复合式拱上填料抗压强度和弹性模量试验，再运用有限元法建立了桥梁及路桥过渡段的三维数值分析模型，分析加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料对桥梁及路桥过渡段动力特性的影响规律。
2)通过对比分析，传统拱上填料与加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料对桥梁及路桥过渡段力学行为的影响差异，进一步评价加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的可行性应用价值。
3)通过现场试验，调查了解传统拱上填料填充条件下拱桥存在的潜在问题，并通过对比分析来综合评价加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的有效性和适用性；
4)通过现场试验，与传统拱上填料进行对比分析，提出加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的施工工艺、有效性评价方法、质量控制标准和现场检测方法。
5)综合室内试验、现场试验与理论分析结果，提出轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的现场质量评价方法与关键控制参数，建立加筋轻质加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料的施工工艺与技术指南；并对其全寿命的经济性进行分析与评价。综上可得，该级配碎石层与该轻质混凝土层的厚度关系为1：(3～7)。此时，在保证填料强度和密实度的前提下，减轻填料自重，增强拱上结构的板体效果，提高填料的强度、刚度和整体性；减小了拱上填料对侧墙的挤压力，增强了拱上填料对桥面荷载的扩散能力，提高了其承载力，增强了拱上结构和桥面铺装的综合排水能力和抗变形能力，有助于解决拱桥桥面不均匀沉陷等问题。
进一步可选地，该级配碎石层与该轻质混凝土层的厚度关系为1：(4～6)。此时，较薄的级配碎石填料层可以看作为桥面下部的柔性垫层或拱上填料的柔性面层，具有足够的柔性与水稳定性；而加筋轻质混凝土则可以看成复合式拱上填料的基层，为拱桥结构提供良好的强度、荷载传递和刚度过渡作用，受力均匀及桥的寿命均较好。
优选地，该级配碎石层与该轻质混凝土层的厚度关系为1：5。此时，拱桥结构的承载能力、耐久性和行车舒适性均较高。
S12：配制轻质混凝土填料，进行浇注、振捣并碾压，得到该轻质混凝土层。
可选地，该轻质混凝土填料的表观密度为740kg/m 3～1980kg/m 3，其有效提高桥梁的承载能力。进一步可选地，该轻质混凝土填料的表观密度为1500kg/m 3～1980kg/m 3，此时桥梁的承载能力较高。
可选地，该轻质混凝土层碾压后的压实质量k30大于180Mpa/m，以保证轻质混凝土层压实，进一步提高拱桥结构的承载能力和耐久性。
可选地，该级配碎石填料中针状和片状碎石的含量不大于15％。该级配碎石具有良好的透水与扩散应力，承载过渡作用。
可选地，该轻质混凝土填料的材料选自无砂大孔混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、火山渣混凝土、自燃煤矸石混凝土和膨胀矿渣珠混凝土中的一种或多种。通过选用合理的材料，改善了拱桥的受力，降低恒载内力，提高活载承载能力。
S13：配制级配碎石填料，进行浇注、振捣并碾压，得到该级配碎石层，且该级配碎石层与该轻质混凝土层的厚度关系为1：(3～7)。
在其中一个实施例中，还包括以下步骤：在该级配碎石层上铺设水泥稳定碎石层，在该水泥稳定碎石层上铺设水泥混凝土层，在该水泥混凝土层上铺设沥青混凝土层。
在其中一个实施例中，该水泥稳定碎石层的厚度为20cm-40cm。具体地，该水泥稳定碎石层的厚度可以为20cm、25cm、30cm、35cm或40cm。该水泥混凝土层的厚度为8cm-12cm。具体地，该水泥稳定碎石层的厚度可以为8cm、9cm、10cm、11cm或12cm。该沥青混凝土层的厚度为8cm-12cm。具体地，该沥青混凝土层的厚度可以为8cm、9cm、10cm、11cm或12cm。通过设置合适厚度的表面辅助层，进一步提高，延长桥梁使用寿命。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，通过有限元模拟分析，并运用数值试验方法对采用轻质混凝土拱上填料的桥梁结构稳定性、桥面变形规律、路—桥过渡段的力学行为特性进行了深入分析，为加筋轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料结构形式拱桥的设计参数提供了重要的定量依据，且结构设计合理性好，行车舒适度高。本发明还采用轻质混凝土和级配碎石复合式拱上填料结构形式，以发挥两种材料各自的优势。在这样的复合式拱上填料结构形式中，较薄的级配碎石填料层可以看作为桥面下部的柔性垫层或拱上填料的柔性面层，具有足够的柔性与水稳定性；而加筋轻质混凝土则可以看成复合式拱上填料的基层，为拱桥结构提供良好的强度、荷载传递和刚度过渡作用。
采用这样的复合式拱上填料形式，可以：1)在保证填料强度和密实度的前提下，减轻填料自重，增强拱上结构的板体效果，提高填料的强度、刚度和整体性；2)减小了拱上填料对侧墙的挤压力，增强了拱上填料对桥面荷载的扩散能力，提高了其承载力；3)增强了拱上结构和桥面铺装的综合排水能力和抗变形能力，有助于解决拱桥桥面不均匀沉陷等问题；4)轻质混凝土流动性好。由于轻质混凝土中不含粗骨料，所以可以通过管道泵送施工，为了满足施工需要，其流动度可以控制在150-200mm。现浇轻质混凝土的最大输送距离为500m，最大泵送高度可以达到40m，具有良好的施工性能，无需振捣，或是只需少量的振捣工作，能够提高施工效率，解决由于施工困难所带来的施工技术难题；5)轻质混凝土可以利用工业废料为原材料，提高工业废料的资源化再生利用效率，达到降低桥梁的全寿命周期成本的目的。
综上可知，本发明采用轻质混凝土拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，能够显著提高拱桥结构的承载能力、耐久性和行车舒适性，延长桥梁使用寿命，可推广应用于类似拱桥拱上填料更换或新建拱桥拱上填料施工的工程项目中，具有良好的经济和社会效益。
进一步地，所述拱上填料包括：
加筋轻质混凝土层，其包括：
固体混凝土；
若干植入筋体，若干所述植入筋体均匀分布在所述固体混凝土中，形成混合结构；
级配碎石结构层，其铺设与所述加筋轻质混凝土层上方；
在上述技术方案中，所述固体混凝土采用轻质混凝土，具体可选用泡沫混凝土；级配碎石结构选料包括开山块石、天然卵石或砂砾石的一种或多种破碎筛选组合而成。
进一步地，在所述填料的铺设节段中，选取5-10m的节段，沿拱桥的横切方向设置有锯缝，在锯缝内设置有多根渗水管，渗水管连通于拱上填料位置处，用于将拱上填料内部积水进行导流清理。
进一步地，加筋轻质混凝土层和级配碎石结构层之间设置有多层防水层，所述防水层采用沥青或者乳化沥青。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)通过有限元仿真分析路-桥过渡段受力状态，获得轻质混凝土层和级配碎石层的厚度关系；
2)配制轻质混凝土填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述轻质混凝土层；
3)配制级配碎石填料，进行浇注、振捣并碾压，得到所述级配碎石层，且所述级配碎石层与所述轻质混凝土层的厚度关系为1：(3～7)。
2.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，所述轻质混凝土填料的表观密度为740kg/m 3～1980kg/m 3。
3.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述级配碎石层上铺设水泥稳定碎石层，在所述水泥稳定碎石层上铺设水泥混凝土层，在所述水泥混凝土层上铺设沥青混凝土层。
4.根据权利要求3所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于：所述水泥稳定碎石层的厚度为20cm-40cm，所述水泥混凝土层的厚度为8cm-12cm；所述沥青混凝土层的厚度为8cm-12cm。
5.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，所述轻质混凝土填料的材料选自无砂大孔混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、火山渣混凝土、自燃煤矸石混凝土和膨胀矿渣珠混凝土中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，所述级配碎石填料的材料选自开山块石、天然卵石或砂砾石的一种或多种破碎筛选而成。
7.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，所述级配碎石填料中针状和片状碎石的含量不大于15％。
8.根据权利要求1所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于，所述轻质混凝土层碾压后的压实质量k30大于180Mpa/m。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于：所述级配碎石层与所述轻质混凝土层的厚度关系为1：(4～6)。
10.根据权利要求9所述的基于拱上填料的拱桥及路-桥过渡段力学分析方法，其特征在于：所述级配碎石层与所述轻质混凝土层的厚度关系为1：5。
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| GR01 | Patent grant | ||
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