普通鋼筋混凝土箱型拱橋結構驗算與評定分析

何廣寶

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

拱橋由于發展的歷史悠久，其具有結構多樣且簡單經典、弧線魅力輕盈，再加上對稱的結構，在我國早期的橋梁建設中占有很重要的地位。而隨著材料的發展以及拱橋建設基礎手段研究愈發深入，目前拱橋發展具有愈加明顯的特點[1-2]，拱圈輕拱型化，可以節省工料；系桿拱和中承拱可以降低橋高并增大矢跨比，進而降低造價。此外采用鋼筋混凝土材料進行橋梁建造的工程案例越來越多，一方面鋼-混凝土組合材料對橋梁受壓時的穩定性有提高作用，同時耐久性和抗腐蝕性也獲得明顯改善；另一方面混凝土的抗壓強度和延性由于該組合材料中鋼筋的套箍作用會增強。在施工方面，模板預制和機械化吊裝施工的應用使得該結構形式得到了快速發展[3-5]。現有一工程實例：某橋梁跨徑為（15+50+15）m結構，上部和下部結構分別是普通鋼筋混凝土雙曲拱和實體重力式橋墩。由設計原始資料和勘測資料可知，該橋建于1983年，設計荷載為公路-Ⅰ級，橋址處地震動峰值加速度系數為0.15g，由于當時設計通行能力較小，而目前橋梁的現狀和病害情況難以滿足該地交通流量和荷載的需求，最終結合橋梁設計圖和相關部門意見，擬定將全橋梁進行拆除處理，并在原址采用普通鋼筋混凝土箱型拱橋形式代替，跨徑相同。為了對該鋼筋混凝土箱型拱橋進行結構安全性研究，筆者擬從拱橋方案設計、模型建立、結構安全性驗算等方面進行深入分析，以期為不能滿足目前交通流量要求的現役拱橋的改建提供一定的借鑒意義。

1 方案設計

為了加強拱橋的抗壓強度，本橋采用C50混凝土。同時選用箱形截面拱以克服主拱圈跨度大的問題；邊拱跨度小，故選用板拱；為了結合結構的美觀，橋型為上承式拱橋，并包含了腹拱墩和腹拱。上部結構中，主拱凈跨徑為50 m，拱軸線為懸索線，主拱圈截面高度為1.2 m，均為鋼筋混凝土材料。下部結構采用重力式橋墩和橋臺，基礎為明挖擴大基礎，且放置在閃長巖中。地基的承載力按照0.6 MPa。即最終主跨為50 m拱橋，兩個邊孔為15 m板拱，左右橋臺寬各6 m，橋梁總長為104 m，橋墩寬為6 m。主拱圈橫斷面圖見圖1所示，圖2為橋墩示意圖。

圖1 主拱圈橫斷面圖（單位：cm）

圖2 橋墩示意圖（單位：cm）

橋面鋪裝設計采用28 cm厚的水泥混凝土、5 cm厚中粒式瀝青混凝土。水泥混凝土板塊為4 m×3.5 m，設置拉桿于板塊縱縫處，且在橫縫脹縫及前后兩道橫縫縮縫處設置傳力桿。其余縮縫均為假縫。在橋梁全長范圍內設置鋼筋混凝土防撞護欄，橋面橫坡設置為1.5%單向橫坡以方便排水。圖3為主拱1/2處橫斷面圖，圖4為腹拱1/2橫斷面圖。

圖3 主拱1/2處橫斷面圖（單位：cm）

圖4 腹拱1/2處橫斷面圖（單位：cm）

2 模型建立及結構驗算

2.1 模型建立

橋梁博士是綜合性對橋梁進行結構設計和施工計算的系統。本工程中即采用橋梁博士對橋梁設計進行模型建立和相關計算。整個橋梁劃分為136個單元，由于單元太多，只取關鍵截面相關信息，即拱座、1/8處、1/4處、1/2處和腹拱墩處。在模型建立過程中，坐標采用截面高度中心處坐標，單元性質選擇鋼筋混凝土構件和現場澆筑構件。在溫度應力模型階段，根據工程所處實際環境，升溫溫差和降溫溫差分別填寫為5.4℃和12.6℃，采用非線性溫度；在導入鋼筋過程中，主拱圈處保護層厚度為50 mm，下緣配筋為85根φ25 HRB335，上緣配筋為85根φ16 HRB335；腹拱墩保護層厚為50 mm，下緣配筋為 100根 φ22 HRB335，上緣配筋為 100根φ22 HRB335；腹拱處保護層厚度為30 mm，下緣配筋為 106根 φ20 HRB335，上緣配筋為 106根φ18 HRB335。在實際過程中鋼筋是封閉的，并不是上下緣配筋關系，故結果偏差在實際計算中會產生，但是在允許范圍內。

2.2 結構安全性驗算

結合《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[6]，下面主要對橋梁的承載能力極限狀態驗算、受拉鋼筋和受壓混凝土應力驗算、結構裂縫驗算和撓度驗算等方面進行評定。

2.2.1 極限狀態承載能力驗算

永久作用的設計值效應和可變作用設計值效應相組合是承載能力極限狀態設計的基本組合，具體效應組合表達式如式（1）：

式中具體參數含義參照相關規范[6]，而驗算結果見表1所示。

表1 極限狀態承載能力驗算結果表

2.2.2 應力驗算

由于受重力和荷載的影響，混凝土會出現被壓壞或鋼筋被拉壞的情況，故要對受拉鋼筋和受壓混凝土的應力進行驗算。而混凝土軸心抗壓標準值f′ck=32.4 MPa，故受壓區混凝土邊緣臨界值為0.8f′ck=25.92 MPa；鋼筋抗 拉 強 度標準 值 為 fsk=335 MPa，故受拉鋼筋面積中心處應力臨界值為0.75fsk=251.25 MPa，具體應力驗算結果見表2所示。

表2 應力驗算結果表 MPa

從表2可知，關鍵截面處受壓區混凝土邊緣應力值和受拉鋼筋面積重心處截面應力值均小于相應的臨界值，故應力驗算滿足條件。

2.2.3 結構裂縫驗算

結構裂縫的驗算也是不可缺少的，在荷載作用下，結構裂縫開裂不達到臨界值，則結構裂縫驗算便符合要求。公式及參數含義見相關規范[6]，具體驗算結果見表3所示。

表3 結構裂縫驗算結果表 mm

從表3可知，關鍵界面裂縫最大值為0.187 mm，小于臨界值0.2 mm，故結構裂縫驗算結果滿足要求。

2.3 撓度驗算

由于荷載作用，鋼筋混凝土受彎構件會產生撓度變形，若變形過大，則會影響結構的正常使用。為了確保橋梁的正常使用，撓度的驗算也是必不可少的，即驗算構件在荷載作用下最大變形計算值是否超過容許值，若不超過則滿足驗算。

表4 撓度驗算結果表 mm

從表4可知，關鍵截面撓度值計算值遠遠小于容許值，故撓度驗算結果滿足要求。

3 橋梁施工要點

3.1 舊橋施工技術措施

在舊橋拆除過程中，采用逆序工序法拆除方案。采用對稱拆除的方法，先按照縱向自跨中向兩邊開始，在橫向從橋梁中心軸線向兩側開始，然后再對護欄、橋面、拱上填料、邊跨拱圈、腹拱圈、拱上橫墻、墩上橫墻等依次拆除。

在拱上建筑拆除完畢后，對跨中主拱圈進行拆除。注意要將中跨主拱圈的一根邊拱肋與中間拱肋的橫向聯系先去除掉，連接鋼筋可暫不割斷再利用混凝土切割設備在拱腳、拱頂和1/4跨處將單根拱肋切斷，并分成4段，通過吊車將隔斷的橫向連接鋼筋依次吊下，并順著橫橋方向向中間依次對拱肋進行拆除。在舊橋墩臺基礎拆除時，以不影響橋梁運營安全及新橋施工為準，特別注意避免對基礎造成擾動。

3.2 上部結構施工要點

新橋施工過程中主要采用滿堂支架法施工。主拱圈采用預制與現澆組合而成，先預制腹板和橫隔板，在拱架上組合后再現澆底板。縱向接縫和接頭形成槽型，待混凝土強度達到85%以后再安裝預制蓋板，現澆底板，形成箱形截面。

主拱圈縱向分為3段澆注，設4個間隔槽，間隔槽在主拱合龍時，現澆混凝土填實。由于采用滿堂支架法施工，要求3孔同時搭架，同時澆。在主拱圈達到設計強度的85%后，再實施拱上建筑及橋面系全部施工，當施工完畢且強度達到了設計值的85%后，對拱架進行拆卸，注意嚴禁裸拱卸架。另外，主拱圈及上部結構的施工應對稱進行[7]。

3.3 下部結構施工要點

下部結構宜在旱季施工，避開雨季水位漲高給施工帶來的干擾和困難，從而減小圍堰高度，降低擠出水下施工難度，確保工程質量和加快工程進度。支架搭設應預留過水孔。施工時應加強現場放樣和預制構件的檢測，嚴格控制上下部結構的位置，構造尺寸及高程。

橋梁基底埋置深度根據地質鉆探資料設置，施工時如發現與實地不符，應及時與設計方進行溝通交流并進行基礎設計方案的更改。在施工過程中要注意上、下部構造彼此間銜接配合，準備控制好各部尺寸和標高，注意防撞護欄等鋼筋的預埋和連接，避免發生較大的標高誤差和返工。橋梁臺后填土采用砂礫石材料，采用中小型壓實機械分層加壓夯實，壓實度達到95%，避免壓實不嚴引起不均勻沉降發生的跳車現象。

4 結論

針對現役橋梁不能滿足現行交通需求的現狀，結合工程實例，采用新型普通鋼筋混凝土箱型拱橋結構來進行舊橋改建。為了對該鋼筋混凝土箱型拱橋進行結構安全性研究，筆者擬從拱橋方案設計、模型建立、結構安全性驗算和橋梁施工要點等方面進行深入分析。在結構驗算部分，重點從極限狀態承載能力、受壓混凝土和受拉鋼筋應力、結構裂縫和撓度等方面進行驗算，結果均滿足驗算要求，表明新改建橋梁設計方案科學合理。在采用鋼筋混凝土箱形拱橋方案設計時要結合具體工程情況具體分析，以便達到最佳的設計效果。