桑壩大橋結構分析計算及設計優化

殷中輝

(貴州省公路工程集團有限公司)

1 桑壩大橋的結構分析計算

1.1 主孔變更設計概況

主拱圈凈跨徑115 m，凈矢高23 m，凈矢跨比1/5，主拱圈為等截面圓弧線箱型無鉸拱。拱圈總寬度7.5 m，高度2.0 m。主拱圈橫橋向由5 個預制箱組成，其中預制中箱寬146 cm，預制邊箱寬148 cm。預制箱高185 cm，拱箱全部合攏后，再在拱箱頂面現澆15 cm 厚整體混凝土層，最終形成2.0 m 高的主拱圈。主拱圈及拱上排架底座采用C40混凝土;拱上排架、蓋梁及拱上腹孔空心板采用C30 混凝土;人行道塊及欄桿采用C30混凝土;橋面鋪裝采用10～17 cm 厚的C40聚丙烯纖維混凝土;拱箱采用的鋼筋分為R235 和HRB335 兩種類型。

1.2 主橋上部結構施工工藝

主拱圈采用五段預制拱箱吊裝施工成拱工藝。全橋共有25 段預制箱，最大節段吊重66 t。設計考慮的吊裝施工工藝為采用纜索吊機系統進行吊裝，預制拱箱吊裝過程中采用捆綁式吊運和扣掛。拱上排架采用現澆施工。腹孔空心板采用預制吊裝施工。

1.3 橋梁結構受力分析驗算

(1)計算參數的取定。

結構重力包括腹孔空心板、橋面鋪裝、人行道塊、欄桿、拱上立柱、拱圈等重量經程序建模后自動計入;橋面鋪裝、人行道塊、欄桿重量按每延米重量以均布荷載加載;拱上立柱蓋梁及系梁、立柱底座重量、拱圈橫隔板及拱圈端接頭、中接頭重量按節點集中荷載型式考慮;車道荷載按規范要求以兩車道計入;汽車荷載沖擊系數根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60－2004)取值;人群荷載按4.02 kN/m 計算;結構體系計算溫度的取值，結構在其使用期內根據公路橋涵設計通用規范的有關規定，整體溫升按16.8 ℃計算，溫降計入混凝土收縮徐變影響后，按－20.70C 計算。對于拱橋結構，梯度溫度不作考慮;活載橫向分配系數，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62－2004)相關規定考慮，拱圈內力要增加，但該規范有關條款同時也指出，在計算拱頂、拱腳段正彎矩時，可分別乘以0.7 和0.9 的折減系數，拱圈內力相應有所減小，綜合這一增一減的因素，在進行拱圈內力計算時，不考慮活載橫向分配系數的影響。

(2)結構分析計算。

主孔結構受力按平面桿系理論分析計算，將主孔結構的拱上腹孔、拱上立柱排架及主拱圈共劃分為127 個桿元，115個節點，結構計算階段共分20 個施工階段，分別按吊裝預制拱肋、安裝合攏、澆筑箱間縱縫混凝土、澆筑拱箱頂層整體化混凝土、對稱澆筑拱上立柱排架、對稱安裝腹孔板、施作橋面系的順序進行劃分。采用公路與城市橋梁結構計算分析系統(GCQJX2.01 版)軟件進行受力分析計算。

(3)荷載組合情況。

荷載組合按使用階段及運營階段，分別按永久荷載、人群荷載、汽車荷載、施工荷載及溫升、溫降等荷載內容考慮不同的荷載組合。

(4)使用階段拱圈截面強度驗算。

在使用階段最不利荷載組合作用下，控制截面計算內力(Nd)及對應截面計算抗力(NR)如表1 所示。

表1 驗算截面內力及抗力值

表中計算結果顯示，主拱圈驗算截面在最不利荷載組合作用下，截面計算抗力與截面計算內力值之比均大于1，拱圈截面強度驗算滿足規范要求。

(5)使用階段拱圈縱向穩定驗算。

根據規范(JTG D62－2004)，拱圈應按鋼筋混凝土軸心受壓構件驗算拱的縱向穩定。最不利荷載組合(永久荷載+人群荷載+汽車荷載+溫升)作用下，拱腳截面上產生最大軸向壓力為52 762.92 kN，對應的剪力值為－2 012.48 kN，計算可得拱的水平推力組合設計值Hd=39 596 kN。由此可計算得到拱的軸向力組合設計值Nd=Hd/cosφm=42 646(kN)。

根據規范中相關公式計算得拱圈抗力效應為NR=163 914(kN)，縱向穩定驗算系數為3.84 ＞1，拱的縱向穩定驗算滿足規范要求。

(6)使用階段裂縫寬度驗算。

在對主拱圈裂縫寬度驗算時，根據各施工階段的應力驗算，除拱腳截面上緣出現較小拉應力外，其余各驗算均沒有出現拉應力，但出現的拉應力沒有超過規范容許值。運營階段最不利荷載組合(永久荷載+人群荷載+汽車荷載+溫升或溫降)作用下應力驗算時，拱圈各驗算截面均沒有出現拉應力，拱圈不會發生開裂，滿足規范要求。

(7)拱圈撓度驗算。

經過對永久荷載、溫升、溫降、汽車荷載、人群荷載以及這幾種荷載組合作用下節點變位的驗算，節點最大變位值為拱頂最大負豎向位移7.51 cm，滿足規范規定不大于計算跨徑1/1 000L=11.6 cm 的要求。

(8)拱圈施工階段應力驗算。

各施工階段在重力作用下，經對拱腳、1/8L、1/4L、3/8L、1/2L 截面分別進行拱圈施工階段應力計算發現，除在第6施工階段拱腳截面上緣出現0.2 MPa(小于1.65 MPa 容許值)的拉應力外，其余各拱圈驗算截面在各施工階段均沒有出現拉應力。且各階段截面計算的壓應力均沒有超過容許值，施工階段應力驗算滿足要求。

1.4 變更設計優化建議措施

(1)關于主拱圈構造。

預制拱箱底凈距僅4 cm，不能滿足捆綁箱體鋼絲繩所需要的寬度，要調整增加;腳段端接頭空間寬度僅有41 cm，施工人員難以進入箱內操作，應調整至60 cm 左右;拱箱斷面的邊箱寬度調整為146 cm，應留出的寬度分配給縱縫，使之增為5 cm;拱箱各部的銜接構造應加大各方向倒角尺寸，設為8 × 8 cm，以增加頂底板、組裝接頭及端接頭混凝土對腹板、橫隔板的握裹;分段及組裝接頭混凝土在腹板外側厚度設為8 cm，以方便澆筑混凝土;中接頭連接構造的底板采用槽鋼相接，以增加拱圈整體剛度。

(2)關于主拱圈鋼筋。

頂板下緣應與上層對應布置Φ12 的縱向鋼筋(箱內)，由于縱向受到橫隔板阻擋，可采取上彎越過方式通過，頂板下緣還應布置橫向鋼筋，其規格和間距與頂板上層橫向鋼筋相同，其兩端上彎與相應鋼筋焊接，以防頂板下緣開裂;為加強預制箱與整體化現澆層的聯系，邊腹板上部應預埋豎向(徑向、單排)Φ12 鋼筋，并與整體化現澆層鋼筋網焊接，一般間距不大于20 cm，并考慮在柱座范圍內適當加密布置;預制橫隔板的所有豎向鋼筋還應與頂底板橫向鋼筋焊接，以加強拱箱整體性;端接頭腹板鋼筋仍應以豎向箍筋箍縱向鋼筋的形式布置，點狀筋應按行列布置;底板端部應采用槽鋼作預埋件;預制腹板螺栓孔不宜設置過多，設兩個即可，為防止過度擰緊螺栓時造成腹板開裂，可將螺栓的鋼板墊圈改為木板墊圈，擰緊螺栓時，視木板墊圈略有擠壓變形即可終止;縱縫混凝土內要預埋間距不大于20 cm 的Φ12 徑向鋼筋(一道縫內橫向兩排)，并與整體化現澆層鋼筋網焊接。

2 關于吊裝箱拱在設計施工中的幾點建議

(1)在澆筑預制吊裝箱拱的縱縫混凝土時，其上部應預留出一部分混凝土，待澆筑現澆層時一并澆筑，以提高整體強度。加載程序圖要繪出拱箱斷面圖，并界定徑向上縱縫混凝土第一次澆筑高度。

(2)主拱圈的施工吊裝方案需組織熟悉吊裝工藝的專家作評審，以進行技術把關，但也要看到其效果的有限性。更為重要的是要選擇熟悉吊裝拱箱橋梁施工工藝的施工單位來施工。并在工程招標條件中明確規定，必須具有這種橋梁施工經驗并且成功地建成了幾座類似橋梁的施工單位才能參與投標，只有選擇好施工單位，工程質量和安全才能得到更有效的保證。這也是桑壩大橋在修建過程中值得關注的經驗教訓。

(3)吊裝箱型拱橋設計與施工工藝關系密切，設計單位要及早與施工單位取得聯系，了解吊裝方案、設備、機具以及預制場等情況，風纜的布置條件，設計要與之協調，以減少今后實施過程中可能的變更設計。

［1］公路與城市橋梁結構計算分析系統(GCQJX2.01 版)用戶使用手冊［S］.

［2］貴州橋梁設計院.桑壩大橋施工圖設計文件［S］.2009.

［3］中華人民共和國交通部.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范(JTG D62－2004)［S］.

［4］顧懋清，等.公路橋涵設計手冊《拱橋》［M］.北京:人民交通出版社，2000.