弦桿支點處沉降作用下剛架拱橋受力分析對比

鄢 真 諶樂強

0 引言

鋼筋混凝土剛架拱橋是在雙曲拱橋、桁架拱橋、肋拱橋和斜腿剛構橋的基礎上，結合我國拱橋特點及無支架施工經驗而發展起來的一種橋型，由主拱腿、實腹段、腹孔弦桿、斜撐和橫系梁等構件拼組而成裸肋，然后在其上安裝帶有加勁肋的微彎板和懸臂板，并通過現澆混凝土橋面與裸肋結成整體組合結構。該橋型具有自重輕、材料省、整體性能好、外形美觀、裝配化程度高等優點［1］，故在我國20世紀80年代被大量的修建。實踐證明，它們中的大多數經過加固維修是可以繼續安全使用的，甚至能夠經過加固提載來達到更高的設計標準［2］。

本文以江西省宜春市老袁河大橋(剛架拱)加固提載工程為例，著重介紹通過計算軟件分析大橋不同橋跨的弦桿支點處沉降值的變化對剛架拱主拱片各控制節點的內力值影響，從而達到對應病害特征采取有效加固提載措施的目的。

1 橋梁概況

老袁河大橋建成于1989年，原設計荷載等級為“汽車—20級，掛車—100”，橋面全寬為1.75 m(人行道)+9 m(行車道)+1.64 m(護輪帶及防撞護欄)。大橋上部結構為5跨凈跨徑約為30 m的鋼筋混凝土剛架拱，下部構造為重力式橋墩配擴大基礎，0號橋臺為組合式橋臺配擴大基礎，5號橋臺為漿砌U形橋臺配擴大基礎。

由于大橋第三跨萍鄉岸弦桿支點發生較大沉陷(最大沉陷值達5 cm)，并由此導致弦桿嚴重開裂(最大裂縫寬度達1.0 mm)，危及過往車輛與行人的安全，已對大橋進行了封閉交通管制。

2 大橋原有病害

1)橋面系。大橋3號橋墩處行車道橋面鋪裝橫橋向貫穿碎裂且下陷，其余各橋墩、臺處橋面鋪裝均存在橫橋向貫穿裂縫，部分弦桿節點對應處橋面鋪裝亦存在橫橋向貫穿開裂的病害;行車道兩側邊緣局部存在積水現象;人行道板及路緣石存在鑲面石局部破損等病害。2)微彎板。橋面微彎板底面普遍存在縱、橫向裂縫，且部分橋面微彎板裂縫超過規范限值，嚴重者裂縫寬度達到1 mm。3)主拱片。部分主拱片實腹段豎向或三面環向開裂，且裂縫寬度在規范限值范圍內;第3跨及第4跨部分主拱腿支點上緣開裂;主拱片大、小節點普遍存在斜向裂縫;內、外弦桿普遍存在豎向裂縫或三面環向裂縫;第3跨2號及3號主拱片斜撐端頭底面橫向開裂。4)橫系梁。部分橫系梁及橫隔板與主拱片相接處局部開裂，并伴有混凝土脫落和露筋銹蝕現象。5)墩上立墻。2號～4號橋墩墩上立墻于部分弦桿支點處存在頂面混凝土被壓碎的現象，導致局部弦桿支點下沉。

3 結構有限元分析

3.1 計算模型的建立

本次計算依據實測拱軸線的坐標，采用橋梁結構計算程序MIDAS-Civil建立有限元模型來進行結構理論分析。因現場檢測發現第3跨(特殊跨:外弦桿支點沉降值為5 cm)主拱片病害較其他橋跨(標準跨:外弦桿支點沉降值為2 cm)主拱片更為嚴重，故在其他條件均相同的情況下，僅考慮弦桿支座沉降量不同進行對比;將凈跨徑為30 m的鋼筋混凝土剛架拱結構離散為117個節點，112個單元。其有限元模型見圖1。

3.2 檢算原則及特點

1)檢算時分別取用原設計荷載等級“汽車—20級、掛車—100”及現行規范荷載等級“公路—Ⅰ級”來檢算上部結構的內力。

2)剛架拱計算要點:a.有限元模型依據實測主拱片下緣坐標及各構件實測細部尺寸建立，主拱片兩岸拱腳均為固結。b.依據原設計結構計算要點，采用橋梁荷載橫向分布系數(彈性支撐連續梁法)的概念，將空間結構轉換為平面結構進行結構計算;考慮微彎板和主拱片形成的組合截面共同參與作用。c.計算中根據該橋的實際施工順序，分別按澆筑主拱片成拱、預制安裝弦桿及斜撐、固定主拱片拱腳、安裝微彎板、澆筑橋面鋪裝、安裝人行道、收縮徐變、弦桿支座下沉共8個施工階段進行計算。d.分別依據JTJ 021-89公路橋涵設計通用規范及JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范中的作用組合原則各選取最不利荷載組合進行內力比較。

結構檢算荷載組合一覽表見表1。

表1 結構檢算荷載組合一覽表

3.3 理論分析結果

根據剛架拱橋結構特點，選取了斜撐支點、外弦桿跨中、弦桿小節點、主拱腿拱腳、主拱片1/4處、實腹段跨中6個斷面進行內力分析，分析結果見圖2，圖3。

表2 標準跨與特殊跨剛架拱主拱片內力值對比一覽表

4 綜合分析結果

根據現場病害檢測情況及標準跨和特殊跨有限元分析的結果對比(見表2)，發現弦桿支點處的沉降值，對主拱片的斜撐支點、外弦桿跨中和弦桿小節點均有較大影響，主要體現在:

1)標準跨和特殊跨的主拱片實腹段跨中內力變化不明顯，所以在現場檢測時，僅觀測到全橋各跨實腹段跨中輕微的豎向裂縫或環向裂縫，弦桿支點沉降作用不明顯。2)標準跨和特殊跨的斜撐和弦桿靠近小節點處及彎矩和軸力差值較大，使得特殊跨在此截面處出現了較為嚴重的開裂現象，弦桿支點沉降作用明顯。3)標準跨和特殊跨在拱腳截面內力變化不明顯，且內力值均小于該截面內力抗力，故僅部分拱腳上緣存在橫橋向開裂現象，弦桿支點沉降作用不明顯。4)主拱片1/4跨內力無明顯變化，全橋各跨在該截面處未發現結構性病害。5)由于弦桿支點處發生沉降(沉降值約為5 cm)，使得特殊跨線形和部分截面內力發生了較大的變化;而主體結構線形的變化，反射到橋面使其開裂;加上橋面局部因弦桿支點沉降而發生下陷現象，使得行車極不平順，加大了車輛對于橋跨結構的沖擊。

5 結語

通過對運營中的剛架拱橋進行病害檢查并綜合結構驗算數據對比分析，得知在弦桿支點處發生沉降后對剛架拱主拱片有較大影響，沉降值越大導致主拱片的線形及受力狀況變化也越大，對應控制截面的病害情況亦嚴重。因此采取有效措施防止弦桿支點處發生沉降，是維護剛架拱橋安全運營的一項重要內容。

［1］顧懋清，石紹甫.公路橋涵設計手冊——拱橋［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［2］諶潤水，周錦中.雙曲拱橋加固改造成套技術［M］.北京:人民交通出版社，2009.