輕質泡沫土用作上承式拱橋拱腹填料的研究

仝家歡

（西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710064）

0 引言

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

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。拱式結構在豎向荷載作用下，兩端將產生水平推力，正是這種水平推力，使拱內產生軸向壓力，從而大大減小了拱圈的彎矩，使之成為偏心受壓構件，截面上的應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 上承式實腹拱橋構造

拱腹填料通常采用透水性好、土側壓力小的礫石、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，減輕拱腹填料的質量就可以減小拱腳推力，使拱橋能夠適用較差的地質條件。理想的拱腹填料具有“輕質高強”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將路面荷載傳遞到拱肋上。

2 輕質泡沫土材料特點

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

2.1 輕質高強

輕質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。可以看出輕質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、水泥穩定碎石等道路基層材料強度。所以，輕質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

輕質泡沫土拌合后呈液態，施工時可直接澆筑，呈自流平狀態，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。現場澆筑后，與主體工程緊密結合，整體性好。

2.3 結構自穩，不產生側壓力

泡沫混凝土凝固后，結構自穩，不產生土側壓力，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的土壓力，起到優化結構設計的目的。

2.4 耐久性、環保性及防水性能俱佳

輕質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。輕質泡沫土所需原料為水泥和發泡劑，發泡劑為中性，不含苯、甲醛等有害物質，避免了環境污染和消防隱患。現澆輕質泡沫土吸水率較低，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

西安某景區一跨河橋梁，結構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，承臺下設群樁基礎，樁徑1.8m，樁長45m。拱腹填料采用輕質泡沫土，材料指標取：強度等級CF1.0（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

本次研究結合工程結構設計，采用Midas Civil 2022軟件進行結構有限元分析（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

通過結構計算，在承載能力極限狀態下，三種不同拱腹填料荷載作用下主拱圈結構效應見表1、圖4所示。

表1 不同填料在承載能力極限狀態下主拱圈結構效應

圖4 不同拱腹填料作用下主拱內力對比圖

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構效應具有較大的影響。與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質泡沫土填料在承載能力極限狀態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，采用輕質泡沫土填料在承載能力極限狀態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

通過結構計算，在承載能力極限狀態下，三種不同拱腹填料荷載作用下樁基結構效應見表2、表3和圖7所示。

表2 不同填料在承載能力極限狀態下樁基內力

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構效應具有較大的影響。與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質泡沫土填料在承載能力極限狀態下樁頂彎矩可降低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，采用輕質泡沫土填料承載能力極限狀態下樁頂彎矩可降低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，拱腳為結構設計控制截面，拱頂截面一般不控制設計。綜上，填料重度對拱橋結構效應影響較大，填料就是荷載，采用輕質填料就是給結構“減負”，對結構更加友好，換句話說，降低結構效應，也就意味著減小結構尺寸或減小材料用量，優化結構設計，體現工程經濟性。

5 輕質泡沫土作為拱腹填料的經濟性分析

采用輕質泡沫土作為拱腹填料，減輕橋梁荷載，從設計角度來說可以優化結構尺寸，即可以對主拱圈箱室高度和樁基的直徑和長度做優化處理。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，級配砂礫和輕質泡沫土填料差別較小，石灰粉煤灰填料更為經濟，具有價格優勢；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，其施工程序復雜且周期較長。此外，分層壓實對作業空間有要求，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，施工時直接泵送結構內部，無需振搗，澆筑完后大氣壓環境自流平，施工便捷，約18～24h可達到終凝，凝固后填料自穩，無側限壓力。

綜合考慮結構尺寸優化和填料價格，經測算，與石灰粉煤灰填料相比，采用輕質泡沫土為拱腹填料可以節約工程造價約10%，與級配砂礫填料相比，可節約工程造價約23%，取得較好的經濟效益。

6 結束語

總之，對上承式拱橋來說，填料的選擇是一個重要的設計內容，不僅關系到結構尺寸的擬定，也關系整個工程造價。輕質泡沫土材料的強度和穩定性均滿足作為拱腹填料的條件，低重度是其最大的優勢，能夠減輕橋梁外荷載，減小結構效應響應，對優化結構設計及降低工程整體造價有一定的價值。因此，輕質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用。