仝家歡

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來，輕質(zhì)泡沫土在國內(nèi)外工程中的應(yīng)用越來越廣泛，輕質(zhì)泡沫土具有密度小、質(zhì)量輕、保溫、隔音、抗震等性能，是一種新型建筑材料。輕質(zhì)泡沫土的基本原料為水泥、石灰、水、泡沫，在此基礎(chǔ)上摻加一些填料、骨料及外加劑[1]。目前該材料主要應(yīng)用于建筑保溫墻體、邊坡?lián)鯄Α④浲谅坊钪?、橋臺回填及地下充填等工程中，作為拱腹填料的應(yīng)用較少。本文結(jié)合某上承式鋼筋混凝土拱橋工程實例，通過理論計算，對輕質(zhì)泡沫土作為拱腹填料的適用性及經(jīng)濟性進行研究。

1 上承式拱橋概述

拱橋是一種使用較為廣泛的橋型，拱橋與梁橋的區(qū)別，不僅在于外形不同，更重要的是兩者受力方式有較大差別。拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，兩端將產(chǎn)生水平推力，正是這種水平推力，使拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力，從而大大減小了拱圈的彎矩，使之成為偏心受壓構(gòu)件，截面上的應(yīng)力分布與受彎梁相比，較為均勻，可以充分利用主拱截面材料強度，使跨越能力增大。上承式實腹拱橋（見圖1所示）橋面系位于拱圈之上，橋面系和拱圈之間通過拱腹填料傳遞橋面荷載。

圖1 上承式實腹拱橋構(gòu)造

拱腹填料通常采用透水性好、土側(cè)壓力小的礫石、碎石、粗砂或卵石類黏土等材料分層夯實，也可采用爐渣與黏土混合物等以減少拱上建筑質(zhì)量。拱腹填料的輕重直接影響拱腳推力的大小，減輕拱腹填料的質(zhì)量就可以減小拱腳推力，使拱橋能夠適用較差的地質(zhì)條件。理想的拱腹填料具有“輕質(zhì)高強”的特點，此處的高強指的是能夠滿足道路荷載要求同時又能夠?qū)⒙访婧奢d傳遞到拱肋上。

2 輕質(zhì)泡沫土材料特點

輕質(zhì)泡沫土是通過發(fā)泡機的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過發(fā)泡機的泵送系統(tǒng)進行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料[2]。輕質(zhì)泡沫土特點突出，在工程中應(yīng)用廣泛。

2.1 輕質(zhì)高強

輕質(zhì)泡沫土容重范圍一般為5～15kN/m3，強度范圍一般為0.3～20MPa[3]，彈性模量范圍一般為75～5000MPa?？梢钥闯鲚p質(zhì)泡沫土容重小于巖土容重（18kN/m3）和混凝土容重（25kN/m3），強度低于一般混凝土強度（20MPa以上），此處所謂“高強”是相對的，指其抗壓強度高于灰土、二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等道路基層材料強度。所以，輕質(zhì)泡沫土強度可滿足車輛荷載要求，也常用于道路路基材料。此外，因其容重較輕，回填時地基土中不帶來附加應(yīng)力，可以作為較好的回填材料[4]。

2.2 施工便捷，整體性好

輕質(zhì)泡沫土拌合后呈液態(tài)，施工時可直接澆筑，呈自流平狀態(tài)，無需振搗，能適用各類異形狹小空間，施工方式簡單，便于操作?，F(xiàn)場澆筑后，與主體工程緊密結(jié)合，整體性好。

2.3 結(jié)構(gòu)自穩(wěn)，不產(chǎn)生側(cè)壓力

泡沫混凝土凝固后，結(jié)構(gòu)自穩(wěn)，不產(chǎn)生土側(cè)壓力，因此在橋梁臺背回填時可以有效地減少高填方對橋臺基礎(chǔ)的土壓力，起到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。

2.4 耐久性、環(huán)保性及防水性能俱佳

輕質(zhì)泡沫土作為一種特殊的混凝土材料，具有和混凝土一樣較好的耐久性能。輕質(zhì)泡沫土所需原料為水泥和發(fā)泡劑，發(fā)泡劑為中性，不含苯、甲醛等有害物質(zhì)，避免了環(huán)境污染和消防隱患?，F(xiàn)澆輕質(zhì)泡沫土吸水率較低，有相對獨立的封閉氣泡及良好的整體性，具有一定的防水性能。

3 工程概況

西安某景區(qū)一跨河橋梁，結(jié)構(gòu)形式為一孔上承式混凝土無鉸拱橋（見圖2所示），跨徑為68m，橋梁總寬30m，橋梁全長110m，橋梁與河道斜交，斜交角為82.4°。主拱采用等截面懸鏈線箱形拱，跨徑68m，矢高10.622m，矢跨比1/6.402，為了減少拱上建筑重量，在主孔上設(shè)腹拱，腹拱采用圓弧板式拱，拱軸線圓弧半徑分別為2m、2.6m、3.25m。拱座與主拱圈固結(jié)，承臺下設(shè)群樁基礎(chǔ)，樁徑1.8m，樁長45m。拱腹填料采用輕質(zhì)泡沫土，材料指標?。簭姸鹊燃塁F1.0（1.0MPa），容重等級W7（7kN/m3）。

圖2 西安某上承式拱橋立面布置圖（單位：cm）

4 輕質(zhì)泡沫土作為拱腹填料對主拱圈受力和樁基受力影響分析

本次研究結(jié)合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用Midas Civil 2022軟件進行結(jié)構(gòu)有限元分析（見圖3所示），拱腹填料按荷載考慮，橋面系采用無重度虛擬梁進行模擬，樁側(cè)采用土彈簧模擬，共建1181個單元。

圖3 橋梁有限元分析模型

本次研究中，分別采用級配砂礫石（容重22kN/m3）、石灰粉煤灰土（容重14kN/m3）和輕質(zhì)泡沫土（容重7kN/m3）三種不同拱腹填料進行對比計算，從主拱圈和樁基礎(chǔ)受力兩個方面進行分析。

4.1 不同拱腹填料對主拱圈受力影響分析

通過結(jié)構(gòu)計算，在承載能力極限狀態(tài)下，三種不同拱腹填料荷載作用下主拱圈結(jié)構(gòu)效應(yīng)見表1、圖4所示。

表1 不同填料在承載能力極限狀態(tài)下主拱圈結(jié)構(gòu)效應(yīng)

圖4 不同拱腹填料作用下主拱內(nèi)力對比圖

從表1和圖4可以看出，采用不同重度拱腹填料對主拱圈結(jié)構(gòu)效應(yīng)具有較大的影響。與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土填料在承載能力極限狀態(tài)下拱腳水平推力可降低17%，拱腳彎矩可降低19%，水平位移可降低20%；與級配砂礫填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土填料在承載能力極限狀態(tài)下拱腳水平推力可降低31%，拱腳彎矩可降低34%。表1和圖4中拱頂彎矩隨填料重度的減小而略有增加，增加幅度約5%～7%，與拱腳彎矩相比，拱頂彎矩增幅變化較小，但變化規(guī)律卻相反，究其原因，主要在于拱腹填料作用下，主拱圈的反彎點會向拱腳方向下移，使得1/4拱圈處彎矩增大，拱腳負彎矩增大，拱頂正彎矩減小，對拱頂有一定的卸載效用，而拱腹填料重度越大，這種效應(yīng)越突出。自重荷載作用下裸拱彎矩見圖5，拱腹填料荷載作用下主拱彎矩見圖6。

圖5 自重荷載作用下裸拱彎矩（單位：t·m）

圖6 拱腹填料荷載作用下主拱彎矩（單位：t·m）

4.2 不同拱腹填料對樁基受力影響分析

通過結(jié)構(gòu)計算，在承載能力極限狀態(tài)下，三種不同拱腹填料荷載作用下樁基結(jié)構(gòu)效應(yīng)見表2、表3和圖7所示。

表2 不同填料在承載能力極限狀態(tài)下樁基內(nèi)力

表3 標準組合下樁基軸力和位移

圖7 不同拱腹填料作用下樁基內(nèi)力對比圖

從以上圖表中可以看出，采用不同重度拱腹填料對樁基結(jié)構(gòu)效應(yīng)具有較大的影響。與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土填料在承載能力極限狀態(tài)下樁頂彎矩可降低15%，樁頂剪力可降低17%，樁頂軸力可降低11%，正常使用極限狀態(tài)標準組合下樁頂軸力可降低15%，樁頂水平位移可降低20%；與級配砂礫填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土填料承載能力極限狀態(tài)下樁頂彎矩可降低28%，樁頂剪力可降低30%，樁頂軸力可降低21%，正常使用極限狀態(tài)標準組合下樁頂軸力可降低27%，樁頂水平位移可降低35%。

對于一般混凝土無鉸拱橋來說，多選用等截面或拱腳加厚的變截面拱圈，主拱圈主筋通長布置且深入拱座，拱腳為結(jié)構(gòu)設(shè)計控制截面，拱頂截面一般不控制設(shè)計。綜上，填料重度對拱橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響較大，填料就是荷載，采用輕質(zhì)填料就是給結(jié)構(gòu)“減負”，對結(jié)構(gòu)更加友好，換句話說，降低結(jié)構(gòu)效應(yīng)，也就意味著減小結(jié)構(gòu)尺寸或減小材料用量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，體現(xiàn)工程經(jīng)濟性。

5 輕質(zhì)泡沫土作為拱腹填料的經(jīng)濟性分析

采用輕質(zhì)泡沫土作為拱腹填料，減輕橋梁荷載，從設(shè)計角度來說可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，即可以對主拱圈箱室高度和樁基的直徑和長度做優(yōu)化處理。以混凝土作為一項指標來測算，與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土填料，主拱圈可以減少混凝土用量13%，樁基可減少20%；與級配砂礫填料相比，主拱圈可以減少混凝土用量24%，樁基可減少43%。

三種填料市場價格也存在一定的差異，級配砂礫綜合單價為480～500元/m3，石灰粉煤灰填料綜合單價為250～280元/m3，輕質(zhì)泡沫土填料綜合單價為500～530元/m3。從材料單價來說，級配砂礫和輕質(zhì)泡沫土填料差別較小，石灰粉煤灰填料更為經(jīng)濟，具有價格優(yōu)勢；從施工便捷角度來說，級配砂礫和石灰粉煤灰填料屬于散體材料，施工時應(yīng)分層機械碾壓，分層檢驗壓實指標，滿足條件后方可下一步作業(yè)，其施工程序復雜且周期較長。此外，分層壓實對作業(yè)空間有要求，拱橋在拱腳處往往存在狹小空間，對施工影響較大。而輕質(zhì)泡沫土拌合后較普通混凝土更稀軟，呈泥流狀，施工時直接泵送結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無需振搗，澆筑完后大氣壓環(huán)境自流平，施工便捷，約18～24h可達到終凝，凝固后填料自穩(wěn)，無側(cè)限壓力。

綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和填料價格，經(jīng)測算，與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質(zhì)泡沫土為拱腹填料可以節(jié)約工程造價約10%，與級配砂礫填料相比，可節(jié)約工程造價約23%，取得較好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

總之，對上承式拱橋來說，填料的選擇是一個重要的設(shè)計內(nèi)容，不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)尺寸的擬定，也關(guān)系整個工程造價。輕質(zhì)泡沫土材料的強度和穩(wěn)定性均滿足作為拱腹填料的條件，低重度是其最大的優(yōu)勢，能夠減輕橋梁外荷載，減小結(jié)構(gòu)效應(yīng)響應(yīng)，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及降低工程整體造價有一定的價值。因此，輕質(zhì)泡沫土作為上承式拱橋拱腹填料具有較高的適用性及工程意義，可以在其它工程中推廣應(yīng)用。