关于刚架拱桥病害分析及上部和基础结构优化设计
2015-07-02
1、前言
刚架拱桥在20世纪70年代末随着双曲拱桥的大量建设发展而来，该桥型构件少、自重轻、节省材料、施工方便、造型轻巧美观。鉴于上述优点，相关单位设计了刚架拱桥的定型设计图，并在国内大量修建。由于后期修建的刚架拱桥不能完全符合定型设计图的适用条件以及存在构造处理、计算手段、施工质量的缺陷，加之日益加重的超载运输等原因，刚架拱桥在使用过程中出现了诸多病害，影响了正常使用。通过分析病害产生的原因，进行合理设计与精心施工，刚架拱桥仍具有很强的生命力和优越性。
本文结合定型设计图，分析了各种病害产生的原因，提出了优化设计措施，在西部黄土地区成功设计了主跨50m的刚架拱桥。为有效抵抗拱桥水平推力，减少基础工程量，合理地将地下连续墙基础应用
于该桥。
2、刚架拱桥优化设计
2．1定型设计图介绍国内已修建的刚架拱桥，大部分源于20世纪80年代的定型设计图，为了分析刚架拱桥病害产生的原因并和优化设计构造对比，对定型设计图进行简单的介绍。。
(1)采用规范：《公路桥涵设计规范(试行)，1975》和《公路工程技术标准》(JTJ1～81)。
(2)技术指标：跨径包括25，30，35，40，45，50，60m；荷载标准包括汽一15、20、超20级，挂～80、100、120级；桥面净宽包括净一7m、净一9m。
(3)约束条件：拱脚在恒载作用下为铰接(施工期)，在使用荷载作用下为固结(运营期)；斜撑支座在各种荷载作用下均为铰接。
(4)横向分布系数：采用弹性支撑连续梁简化计算，并根据《刚架拱桥研究报告》的建议，将所得横向分布系数乘以1．1得到。
2．2刚架拱桥主要病害及其成因分析
(1)微弯板及其加劲肋严重开裂I2]。主要原因：①定型设计考虑了微弯板的起拱效应和薄膜力效应，微弯板的跨中厚度仅为6CiTI，由于厚度偏薄加之施工误差的存在使配筋位置出现偏差，导致微弯板承载力不能满足设计要求；②铺装层和微弯板粘结不良，不能确保共同受力，桥面荷载仅由微弯板承担，超出了微弯板的承载能力；③主拱肋横向刚度偏小，在桥面板的作用下产生横向位移，减弱了微弯板的起拱效应。
(2)拱肋实腹段底缘严重开裂州，甚至出现钢筋外露锈蚀现象。主要原因：①横梁的刚度偏低且与拱肋结合不牢固，导致实际横向分布系数大于理论值，超出了拱肋的实际承载能力；②铺装层和主体结构粘结不良，整体效应不足；③拱顶连接采用钢板接头，因钢板锈蚀及焊接质量不良而致开裂；④基础水平变位超出设计容许值，造成拱肋开裂。
(3)大、小节点处开裂(大节点处出现较宽的顺桥向水平裂缝，小节点处出现整体断裂)]。主要原因：①拱腿和弦杆与大节点的连接处使用了钢板接头，因钢板锈蚀及焊接质量不良而致开裂；②小节点处虽然使用了现浇接头，但是现浇长度仅2OCITI，混凝土浇筑不密实，在混凝土收缩、徐变作用下与预制构件结合不良，导致断裂。
(4)横梁严重开裂_2]。主要原因是横梁截面尺寸较小，并且与拱肋采用型钢焊接，因钢板锈蚀及焊接质量不良而致开裂。
2．3设计优化措施
通过对刚架拱桥的主要病害及其成因分析，可以指导定型设计图优化设计，提高结构的承载能力，使其满足现行规范及正常使用状态的要求。主要的优化措施：①适当增加微弯板的厚度，根据横向加载计算进行配筋；②适当增加拱肋截面尺寸，提高其竖向和横向抗弯刚度；③采用空间分析法或较保守的算法计算拱肋的横向分布系数，强化拱肋配筋；④将拱顶钢板接头和大节点钢板接头改为现浇接头，杜绝钢板接头的锈蚀问题，同时提高结构整体性；⑤优化小节点现浇接头长度，保证预制构件连接牢固；⑥优化基础结构方案，防止基础产生过大水平位移；⑦优化横梁截面尺寸，改变横梁与拱肋的连接方式，提高结构的整体刚度，保证各片拱肋共同受力；⑧加强施工过程质量控制。
3、地下连续墙基础的应用
1979年，日本在东北新干线高架桥工程中采用了井筒式地下连续墙刚性基础，开创了地下连续墙技术应用到桥梁基础工程上的先河嘲。刚架拱桥是一种有推力的超静定结构，对基础
位移特别是水平位移非常敏感，过大的水平位移将直接影响结构的承载力。黄土地区巨厚层黄土中没有好的桩端持力层，采用钻孔桩作为刚架拱桥的基础只能按照摩擦桩设计，且桩长较长，同时桩基础可能产生较大水平位移，对拱桥产生不利影响。井筒式地下连续墙既能承受上部结构传递的竖向荷载，还能承受横向荷载_7]。黄土具有很好的直立性，在无支护施工下可以开挖几十米的深度。因此，在黄土地区修建刚架拱桥，采用地下连续墙基础具有承载力高、刚度大、工程量小和施工难度低的优越特点，是非常好的基础形式。
4、工程实例
4．1工程概况
某钢筋混凝土刚架拱桥设计荷载为公路一Ⅱ级，净跨径50m，全长66m，桥面净宽7m，净矢高6．25m，矢跨比1／8，桥型布置见图2。全桥由3片拱肋组成，拱肋间距3．2m，。该桥位于黄土地区，桥址区地层主要为第四系上更新统风积黄土，以亚粘土为主，稍密～中密状态，含云母及钙质结核，容许承载力为200~．280kPa。
4．2刚架拱桥优化设计
根据计算分析在定型设计图的基础上对上部结构构件的截面尺寸和构造处理进行了优化。
(1)弦杆：截面高度由90cm增加到104cm；截面宽度由35cm增加到40cm；顶部凸起改为微弯板现浇接头。
(2)拱顶截面：截面高度由70cm增加到89cm；截面宽度由35cm增加到40cm。
(3)斜撑：仍采用矩形截面，截面高度由50cm增加到55cm；截面宽度由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；截面宽度由35cm增加到40cm。
(5)横梁：仍采用矩形截面，I型横梁截面宽度由15cm增加到20cm，截面高度仍为100cm；II型横梁截面高度由48cm增加到50cm，截面宽度由15cm增加到20cm。
(6)微弯板：跨中板厚由6cm增加到12cm。
(7)拱腿固结：拱腿深入桥台固结长度由30cm增加到50cm。
(8)节点处理：大节点由钢板接头改为现浇接头，可避免锈蚀，增强结构整体性；小节点现浇长度由20cm增加到50cm，增强了预制构件整体性。
(9)接头处理：跨中接头由钢板焊接改为现浇连接，避免接头锈蚀，增强了结构整体性。
(10)横梁施工及与拱肋连接：横梁由预制构件改为现浇构件，与拱肋连接由型钢焊接改为预埋钢筋现浇混凝土连接。
各杆件的设计内力采用平面杆系程序进行静力
计算，按照极限状态法进行钢筋混凝土截面配筋，由于该桥宽跨比较小，采用弹性支撑连续梁法计算横向分布系数]，经计算各截面承载能力均满足规范要求。
4．3地下连续墙基础应用
下部结构采用重力式U型桥台，基础采用钢筋混凝土顶板(承台)、井筒式地下连续墙基础，顶板厚2．5m。地下连续墙基础平面外轮廓尺寸7m×7m，墙厚0．8m，深18m，地下连续墙分I型槽段和Ⅱ型槽段，槽段问采用刚性接头。
地下连续墙基础整体分析按刚性基础计算，对地基竖向及水平向应力、地基承载能力、基础变形等均进行了验算；墙体内力依据应变等效原则，将其4块墙体离散为格栅单元，采用有限元方法计算，根据内力对墙体结构强度进行了验算，结果均满足规范要求。
5、结语
早期修复的刚架拱桥出现了诸多病害，对病害的成因进行分析可为优化设计提供参考，在参考定型设计图设计刚架拱桥时，应对其截面尺寸和构造等进行优化设计，保证结构的安全性及耐久性。地下连续墙基础具有承载力高、刚度大、工程量小和施工难度低的特点，在黄土地区建设刚架拱桥可采用该基础。本文在对刚架拱桥病害分析的基础上优化设计了主跨50m的刚架拱桥，并根据其所处黄土地区的特点成功采用了地下连续墙基础。该桥已通车3年，后期监测数据显示，其上、下部结构均运营状况良好，未出现病害。
