某客運專線連續梁-拱組合橋拱座后澆筑應力分析及加強措施

齊 林

(1.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；2.同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

1 工程概況

客運專線鐵路跨越淮南鐵路夾角僅13°，主橋采用(76+160+76)m連續梁拱組合結構，如圖1所示。線路設計最高行車速度350km/h，橋面鋪設CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道結構。因拱肋采用“異橋位拼裝、縱移就位”施工方法，拱座混凝土需待連續梁全聯合龍、拱肋就位后方可澆筑，與連續梁0號塊混凝土的齡期差近7.5個月。

圖1 主橋總布置(單位：cm)

2 主要設計參數

主梁采用單箱雙室截面，變高度、直腹板。跨中及邊支點處梁高5.0m，中支點處梁高8.5m。箱頂寬13.3m、底寬10.2m，中、邊支點截面底寬局部加寬至16.1，13.6m；主梁采用C55高性能混凝土，設縱、豎向預應力，吊點橫梁設橫向預應力。

拱肋為鋼管混凝土結構，設計矢高f=32.0m，矢跨比f/L=1/5，拱軸線為二次拋物線。其截面為等高度啞鈴形，高3.0m。橫向兩拱肋中心距12.50m，縱向設置11道橫撐，17組間距8m雙吊桿。

3 分析研究內容及技術路線

拱座是梁拱組合橋的關鍵部位、受力復雜，拱座混凝土后澆現狀使得本拱座受力更復雜，因此有必要對拱座及拱座與0號塊界面進行全面受力分析研究，并采取切實可行措施，確保橋梁結構安全。

1)分析拱座混凝土與連續梁0號塊7.5個月齡期差引起的拱座應力分布狀況。

2)分析運營階段最不利荷載組合情況下0號塊應力分布狀況。

3)根據應力分布狀況，提出避免構造性裂縫有效處理措施。

4)對拱座新澆混凝土與連續梁0號塊混凝土的結合面進行受力分析，提出確保拱腳推力傳遞的構造加強措施。

4 拱腳局部應力分析及配筋驗算

4.1 模型的建立

采用有限元分析軟件ANSYS中solid 65單元建立空間實體模型，主拱按等效荷載加載，材料參數按設計取值。主梁除0號的17m節段外，每側各取3個節段，梁段全長36m；拱肋取水平投影長度為10m的一段，建模范圍如圖2所示，空間模型如圖3所示。

圖2 拱腳局部分析范圍(單位：cm)

4.2 分析結果

4.2.1施工階段拱座混凝土澆筑90d后收縮徐變拱腳應力分布狀況

拱腳混凝土澆筑完成后90d時,主梁0號混凝土已澆筑10.5個月，拱腳各方向應力及主應力云圖如圖4，5所示(拉應力為正，壓應力為負)。

圖4 x，y，z方向應力云圖

1)x方向應力分布 由圖4a可看出，主梁大部分承受壓應力，其中兩拱座間主梁承受壓應力最大；拉應力出現于結合面主梁以上的拱座混凝土，順橋向拱座底部側面中間拉應力最大為2.5MPa，并向兩端逐漸減小至1MPa以下；從高度方向，底部拉應力最大，向上逐漸減小，距結合面約4m高，應力由拉轉為壓。橫橋向側面拉應力分布規律與順橋向分布規律一致。

2)y方向應力分布 由圖4b可看出，壓應力、拉應力值均較小，其中拉應力較大值出現在拱座前腳趾部。

3)z方向應力分布 由圖4c可看出，應力分布規律與x方向相似，但最大拉應力出現在橫橋向側面底部中間，拉應力值約2.0MPa。

4)第一主應力分布 由圖5可看出，主梁大部分承受壓應力，其中兩拱座之間主梁承受壓應力最大；拉應力出現于結合面主梁以上的拱座混凝土，順橋向拱座底部為1.0～3.0MPa、橫橋向前腳趾為1.5～3.5MPa、高度方向4m以下范圍。

圖5 拱腳部位第一主應力云圖

4.2.2施工階段拱座混凝土澆筑1年后收縮徐變拱腳應力分布狀況

拱腳混凝土澆筑完成1年后，x，y，z方向及第一主應力分布與90d后的應力分布規律相同，但拉應力值增大約15%，沿高度方向從原來的4m增加到4.5m。

1)運營階段拱腳局部分析。

2)計算工況 根據全橋空間桿系模型的計算結果，對以下3 個運營階段荷載的控制工況進行分析：①工況1 拱座最大軸力作用狀態(恒載+活載+徐變+溫度)；②工況2 拱座最大彎矩狀態作用狀態(恒載+活載+徐變+溫度)；③工況3 拱座最小彎矩作用狀態(恒載+活載+徐變+溫度)。荷載工況如表1所示。

表1 各計算工況荷載邊界條件

3)拱座最大軸力時拱腳分析結果 其結果如圖6，7所示(拉應力為正，壓應力為負)。

圖6 x，y，z方向應力云圖

x方向應力分布如圖6a所示，拱座及主梁大部分區域處于壓應力狀態；拉應力范圍出現在拱腳的前腳趾、后部及與拱肋相交部位，其中前腳趾最大約3.0MPa、后部值較小。拱肋與拱座相交部位的截面突變及集中力較大，應力狀態復雜。

y方向應力分布如圖6b所示，從整體上看主梁應力均較小，拱腳應力較大，較大值出現的部位位于拱肋與拱腳結合處的側面上緣。

z方向應力分布如圖6c所示，從整體上看主梁應力較大，拱腳應力較小。較大拉應力處于兩拱腳之間的主梁頂面，以及拱肋與拱腳結合處的側面上緣，最大達2.6MPa。

第一主應力云圖如圖7所示。可看出，拱腳拉應力較大值出現在拱座與拱肋結合處的側面。該處受拱肋強大的集中力作用，混凝土受壓而有往外張開趨勢，局部應力較大。從結合面往后，拉應力減小并很快變為壓應力。

圖7 第一主應力云圖(-3～3MPa)

拱腳主應力跡線如圖8所示。可以看出拱腳以受壓為主,說明設計是合理。大部分主應力跡線方向為沿拱肋軸線方向，它構成了拱腳結點受力的最主要特征。

圖8 拱腳主應力跡線

4)拱座承受最大彎矩時拱腳分析結果x方向最大拉應力出現在拱腳的前腳趾處約2.4MPa，其余拉應力較小。其他方向應力分布規律與3)相似。

5)拱座承受最小彎矩時拱腳分析結果x方向拱腳與主梁0號塊部分范圍出現拉應力，其值大部分<1.5MPa。拱腳的前腳趾、拱腳的背面拉應力1.5～2.0MPa，其余處于受壓狀態。其他方向應力分布規律與3)相似。

6)主要計算結果匯總 3工況下考慮拱腳鋼筋時拱腳混凝土承受的最大主拉應力及裂縫寬度結構如表2所示，均滿足規范要求。

表2 拱腳混凝土主拉應力最大值及裂縫寬度

7)拱座配筋 原拱座鋼筋布置如圖9所示，鋼筋的布置與拱座的主應力線基本垂直，并根據應力值大小，有如G8鋼筋多層布置，在拱座與拱肋相交部位及后面的一段范圍內，分布有多層承壓鋼筋，同時，由6)計算結果分析，本鋼筋布置在不考慮拱座混凝土后澆7.5個月時間的因素下安全合理。但本工程存在7.5個月的齡期差，因此，拱座鋼筋布置另需考慮該因素。

圖9 原拱座鋼筋布置

8)拱座加強配筋 以上分析計算結果表明，由于拱座混凝土與主梁0號塊混凝土存在齡期差，0號塊混凝土收縮已基本完成，新澆筑的拱座混凝土收縮受到主梁約束而引起拉應力，拉應力出現在拱座與主梁結合處的拱腳部分，從底部向上、從中間向兩邊逐漸減小，最大值達3.5MPa，需在拱腳配置增強鋼筋。

拱座局部的混凝土結構應視為非桿件體系，參照DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規范》附錄D非桿件體系鋼筋混凝土結構的線彈性應力圖形配筋計算。

驗算時，選取最不利工況組合，并在拱座側面順橋向及豎向選取剖切面，進行應力積分，如圖10所示。根據計算，在拱腳離箱梁頂面100cm高度范圍采用φ10@50較密鋼筋網沿拱腳周圍布置，離箱梁頂面100～250cm高度范圍采用φ10@100鋼筋網，如圖11所示。混凝土凈保護層厚度為3cm時，最不利工況下，鋼筋應力最大為110MPa以內，混凝土裂縫寬度最大0.10mm。

圖10 拱腳部位內力積分剖切面

圖11 拱腳部位主筋外層加強鋼筋網布置

5 拱腳與0號塊新舊混凝土抗剪承載力分析

九龍崗特大橋(76+160+76)m連續梁拱組合橋因拱座混凝土與主梁0號混凝土并非同時澆筑，兩者存在約7.5個月的齡期差，不但在拱座產生拉應力，同時還存在兩界面結合問題。為了避免出現“兩層皮”現象，確保拱座在強大的水平推力下不但能受力而且能傳力，是保證橋梁結構及運營安全的關鍵節點。

本次按界面抗剪承載力計算方法，采用界面剪切修正的摩擦抗剪模型，在不考慮其他鋼筋參與抗剪，豎向預應力鋼筋抗剪作為安全儲備，按無杠桿臂的純剪則其檢算結果如下：結合面最大水平剪力V=27 895kN，全部混凝土參與抗剪時截面可承受的剪力Vd=35 640kN；如果80%截面參與抗剪則無須另植筋。

不考慮混凝土參與抗剪，則需要的植筋面積As=0.5m2，相當于622根φ32鋼筋。

6 現場處理措施及效果

6.1 拱座抗裂措施

1)拱座橋面以上1m范圍設置水平抗裂鋼筋 本橋處于半徑為10 000m的平曲線上，由于軌道外側超高設置，拱座主筋外側防裂加強鋼筋如果按圖11加高至2.5m，則拱座可能侵入限界范圍，半跨中-半支點梁高橫截面如圖12所示。根據計算應力云圖，拉應力較大值均出現在拱座與連續梁0號塊結合面，并呈向上、向兩端逐漸減小的規律，設置水平鋼筋的高度在梁面以上1m范圍、鋼筋間距分別按5，7.5cm設置，如圖13，14所示。1m范圍內拱座的輪廓尺寸橫向由180cm增加至186cm，縱向由1 200cm增加至1 206cm。

圖12 半跨中-半支點梁高橫截面

圖13 拱腳受力鋼筋外層加強鋼筋網布置

2)拱座混凝土增加鋼纖維 計算表明，拱腳以上4.5m范圍均出現不同程度的拉應力，1m高范圍解決后，其余通過改善混凝土配合比完成，采用的配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶鋼纖維=380∶625∶1 020∶155∶58∶60∶10.5∶90。

6.2 加強拱座與連續梁0號塊混凝土連接措施

利用拱座下連續梁0號塊實體箍筋伸入拱座。拱座配筋如圖9所示，受力鋼筋與構造鋼筋密布，同時連續梁0號塊拱座范圍普通鋼筋布置也多且分布縱向預應力索，再加上連續梁0號塊高性能混凝土澆筑已7.5個月，操作空間狹小、施工難度及安全隱患大、工期長，為此，要達到與植筋同樣效果且方便施工須另辟蹊徑。根據該實體段箍筋布置特點，如圖15所示，可利用箍筋K1b，K2b，K2b′伸入拱座，具體處理為：①將實體段的箍筋K1b，K2b，K2b′梁頂面的封口端打開，將長段(長120cm)扳直并伸入拱座，短段仍保持原有水平狀態，但需另加鋼筋接長并與長段交叉焊接；②在1m高拱座范圍內，另設置2層水平鋼筋網，與長段鋼筋及拱座原有鋼筋綁扎成為整體，如圖14所示；③拱座范圍豎向預應力鋼筋采取二次張拉工藝。

圖14 防裂及結合面黏結加強鋼筋布置

圖15 梁-拱結合部實體段箍筋布置

6.3 其他措施

1)鋼管拱合龍時考慮溫度變形影響，高溫合龍，降溫時達到推力最小。

2)新老混凝土面鑿毛至新鮮混凝土，并開槽。

3)優化混凝土配合比，盡量減少水泥用量，加強混凝土振搗及養護工作。

4)細化鋼管拱施工組織設計和施工工藝，確保工程質量。

6.4 處理效果

二期恒載施工后拱座表面無裂縫，通過拱座與連續梁0號塊界面預埋的應變片測量反映出兩構件變形同步，未發現相對位移情況，效果良好。

7 結語

連續梁拱組合橋因掛籃安裝等原因，導致拱座混凝土與連續梁0號塊混凝土不能同時澆筑，往往造成拱腳一定范圍出現裂縫，降低了結構承載力，影響耐久性。本工點情況基本達到極致，通過分析提出的解決措施簡單易行，為類似情況提供了一種行之有效的解決辦法。