關(guān)于剛架拱橋病害分析及上部和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
2015-07-02
1、前言
剛架拱橋在20世紀70年代末隨著雙曲拱橋的大量建設(shè)發(fā)展而來，該橋型構(gòu)件少、自重輕、節(jié)省材料、施工方便、造型輕巧美觀。鑒于上述優(yōu)點，相關(guān)單位設(shè)計了剛架拱橋的定型設(shè)計圖，并在國內(nèi)大量修建。由于后期修建的剛架拱橋不能完全符合定型設(shè)計圖的適用條件以及存在構(gòu)造處理、計算手段、施工質(zhì)量的缺陷，加之日益加重的超載運輸?shù)仍颍瑒偧芄皹蛟谑褂眠^程中出現(xiàn)了諸多病害，影響了正常使用。通過分析病害產(chǎn)生的原因，進行合理設(shè)計與精心施工，剛架拱橋仍具有很強的生命力和優(yōu)越性。
本文結(jié)合定型設(shè)計圖，分析了各種病害產(chǎn)生的原因，提出了優(yōu)化設(shè)計措施，在西部黃土地區(qū)成功設(shè)計了主跨50m的剛架拱橋。為有效抵抗拱橋水平推力，減少基礎(chǔ)工程量，合理地將地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用
于該橋。
2、剛架拱橋優(yōu)化設(shè)計
2．1定型設(shè)計圖介紹國內(nèi)已修建的剛架拱橋，大部分源于20世紀80年代的定型設(shè)計圖，為了分析剛架拱橋病害產(chǎn)生的原因并和優(yōu)化設(shè)計構(gòu)造對比，對定型設(shè)計圖進行簡單的介紹。。
(1)采用規(guī)范：《公路橋涵設(shè)計規(guī)范(試行)，1975》和《公路工程技術(shù)標準》(JTJ1～81)。
(2)技術(shù)指標：跨徑包括25，30，35，40，45，50，60m；荷載標準包括汽一15、20、超20級，掛～80、100、120級；橋面凈寬包括凈一7m、凈一9m。
(3)約束條件：拱腳在恒載作用下為鉸接(施工期)，在使用荷載作用下為固結(jié)(運營期)；斜撐支座在各種荷載作用下均為鉸接。
(4)橫向分布系數(shù)：采用彈性支撐連續(xù)梁簡化計算，并根據(jù)《剛架拱橋研究報告》的建議，將所得橫向分布系數(shù)乘以1．1得到。
2．2剛架拱橋主要病害及其成因分析
(1)微彎板及其加勁肋嚴重開裂I2]。主要原因：①定型設(shè)計考慮了微彎板的起拱效應(yīng)和薄膜力效應(yīng)，微彎板的跨中厚度僅為6CiTI，由于厚度偏薄加之施工誤差的存在使配筋位置出現(xiàn)偏差，導致微彎板承載力不能滿足設(shè)計要求；②鋪裝層和微彎板粘結(jié)不良，不能確保共同受力，橋面荷載僅由微彎板承擔，超出了微彎板的承載能力；③主拱肋橫向剛度偏小，在橋面板的作用下產(chǎn)生橫向位移，減弱了微彎板的起拱效應(yīng)。
(2)拱肋實腹段底緣嚴重開裂州，甚至出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象。主要原因：①橫梁的剛度偏低且與拱肋結(jié)合不牢固，導致實際橫向分布系數(shù)大于理論值，超出了拱肋的實際承載能力；②鋪裝層和主體結(jié)構(gòu)粘結(jié)不良，整體效應(yīng)不足；③拱頂連接采用鋼板接頭，因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開裂；④基礎(chǔ)水平變位超出設(shè)計容許值，造成拱肋開裂。
(3)大、小節(jié)點處開裂(大節(jié)點處出現(xiàn)較寬的順橋向水平裂縫，小節(jié)點處出現(xiàn)整體斷裂)]。主要原因：①拱腿和弦桿與大節(jié)點的連接處使用了鋼板接頭，因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開裂；②小節(jié)點處雖然使用了現(xiàn)澆接頭，但是現(xiàn)澆長度僅2OCITI，混凝土澆筑不密實，在混凝土收縮、徐變作用下與預制構(gòu)件結(jié)合不良，導致斷裂。
(4)橫梁嚴重開裂_2]。主要原因是橫梁截面尺寸較小，并且與拱肋采用型鋼焊接，因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開裂。
2．3設(shè)計優(yōu)化措施
通過對剛架拱橋的主要病害及其成因分析，可以指導定型設(shè)計圖優(yōu)化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，使其滿足現(xiàn)行規(guī)范及正常使用狀態(tài)的要求。主要的優(yōu)化措施：①適當增加微彎板的厚度，根據(jù)橫向加載計算進行配筋；②適當增加拱肋截面尺寸，提高其豎向和橫向抗彎剛度；③采用空間分析法或較保守的算法計算拱肋的橫向分布系數(shù)，強化拱肋配筋；④將拱頂鋼板接頭和大節(jié)點鋼板接頭改為現(xiàn)澆接頭，杜絕鋼板接頭的銹蝕問題，同時提高結(jié)構(gòu)整體性；⑤優(yōu)化小節(jié)點現(xiàn)澆接頭長度，保證預制構(gòu)件連接牢固；⑥優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案，防止基礎(chǔ)產(chǎn)生過大水平位移；⑦優(yōu)化橫梁截面尺寸，改變橫梁與拱肋的連接方式，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，保證各片拱肋共同受力；⑧加強施工過程質(zhì)量控制。
3、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的應(yīng)用
1979年，日本在東北新干線高架橋工程中采用了井筒式地下連續(xù)墻剛性基礎(chǔ)，開創(chuàng)了地下連續(xù)墻技術(shù)應(yīng)用到橋梁基礎(chǔ)工程上的先河嘲。剛架拱橋是一種有推力的超靜定結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)
位移特別是水平位移非常敏感，過大的水平位移將直接影響結(jié)構(gòu)的承載力。黃土地區(qū)巨厚層黃土中沒有好的樁端持力層，采用鉆孔樁作為剛架拱橋的基礎(chǔ)只能按照摩擦樁設(shè)計，且樁長較長，同時樁基礎(chǔ)可能產(chǎn)生較大水平位移，對拱橋產(chǎn)生不利影響。井筒式地下連續(xù)墻既能承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載，還能承受橫向荷載_7]。黃土具有很好的直立性，在無支護施工下可以開挖幾十米的深度。因此，在黃土地區(qū)修建剛架拱橋，采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)具有承載力高、剛度大、工程量小和施工難度低的優(yōu)越特點，是非常好的基礎(chǔ)形式。
4、工程實例
4．1工程概況
某鋼筋混凝土剛架拱橋設(shè)計荷載為公路一Ⅱ級，凈跨徑50m，全長66m，橋面凈寬7m，凈矢高6．25m，矢跨比1／8，橋型布置見圖2。全橋由3片拱肋組成，拱肋間距3．2m，。該橋位于黃土地區(qū)，橋址區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風積黃土，以亞粘土為主，稍密～中密狀態(tài)，含云母及鈣質(zhì)結(jié)核，容許承載力為200~．280kPa。
4．2剛架拱橋優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)計算分析在定型設(shè)計圖的基礎(chǔ)上對上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和構(gòu)造處理進行了優(yōu)化。
(1)弦桿：截面高度由90cm增加到104cm；截面寬度由35cm增加到40cm；頂部凸起改為微彎板現(xiàn)澆接頭。
(2)拱頂截面：截面高度由70cm增加到89cm；截面寬度由35cm增加到40cm。
(3)斜撐：仍采用矩形截面，截面高度由50cm增加到55cm；截面寬度由35cm增加到40cm。
(4)拱腿：仍采用矩形截面，截面高度由85cm增加到95cm；截面寬度由35cm增加到40cm。
(5)橫梁：仍采用矩形截面，I型橫梁截面寬度由15cm增加到20cm，截面高度仍為100cm；II型橫梁截面高度由48cm增加到50cm，截面寬度由15cm增加到20cm。
(6)微彎板：跨中板厚由6cm增加到12cm。
(7)拱腿固結(jié)：拱腿深入橋臺固結(jié)長度由30cm增加到50cm。
(8)節(jié)點處理：大節(jié)點由鋼板接頭改為現(xiàn)澆接頭，可避免銹蝕，增強結(jié)構(gòu)整體性；小節(jié)點現(xiàn)澆長度由20cm增加到50cm，增強了預制構(gòu)件整體性。
(9)接頭處理：跨中接頭由鋼板焊接改為現(xiàn)澆連接，避免接頭銹蝕，增強了結(jié)構(gòu)整體性。
(10)橫梁施工及與拱肋連接：橫梁由預制構(gòu)件改為現(xiàn)澆構(gòu)件，與拱肋連接由型鋼焊接改為預埋鋼筋現(xiàn)澆混凝土連接。
各桿件的設(shè)計內(nèi)力采用平面桿系程序進行靜力
計算，按照極限狀態(tài)法進行鋼筋混凝土截面配筋，由于該橋?qū)捒绫容^小，采用彈性支撐連續(xù)梁法計算橫向分布系數(shù)]，經(jīng)計算各截面承載能力均滿足規(guī)范要求。
4．3地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用
下部結(jié)構(gòu)采用重力式U型橋臺，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土頂板(承臺)、井筒式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，頂板厚2．5m。地下連續(xù)墻基礎(chǔ)平面外輪廓尺寸7m×7m，墻厚0．8m，深18m，地下連續(xù)墻分I型槽段和Ⅱ型槽段，槽段問采用剛性接頭。
地下連續(xù)墻基礎(chǔ)整體分析按剛性基礎(chǔ)計算，對地基豎向及水平向應(yīng)力、地基承載能力、基礎(chǔ)變形等均進行了驗算；墻體內(nèi)力依據(jù)應(yīng)變等效原則，將其4塊墻體離散為格柵單元，采用有限元方法計算，根據(jù)內(nèi)力對墻體結(jié)構(gòu)強度進行了驗算，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。
5、結(jié)語
早期修復的剛架拱橋出現(xiàn)了諸多病害，對病害的成因進行分析可為優(yōu)化設(shè)計提供參考，在參考定型設(shè)計圖設(shè)計剛架拱橋時，應(yīng)對其截面尺寸和構(gòu)造等進行優(yōu)化設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。地下連續(xù)墻基礎(chǔ)具有承載力高、剛度大、工程量小和施工難度低的特點，在黃土地區(qū)建設(shè)剛架拱橋可采用該基礎(chǔ)。本文在對剛架拱橋病害分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計了主跨50m的剛架拱橋，并根據(jù)其所處黃土地區(qū)的特點成功采用了地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。該橋已通車3年，后期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其上、下部結(jié)構(gòu)均運營狀況良好，未出現(xiàn)病害。
