連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)對策研究

郭俊

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)形式對地基和使用材料的要求較高，對此，工程設(shè)計人員在具體設(shè)計連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)形式之前需要把握連續(xù)梁拱組合橋梁的發(fā)展歷程、變化軌跡、技術(shù)體系，然后深入分析其結(jié)構(gòu)形式的特點、基本原理、操作要求。當(dāng)前連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)形式已被應(yīng)用到我國多個地區(qū)的路橋工程中，為了確保工程質(zhì)量符合要求，需要科學(xué)分析連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)形式的特點，制定可靠的技術(shù)應(yīng)用對策。

1 工程概述

本文以某城市軌道交通路橋工程為例，該橋梁通過預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和鋼管拱的組合形成了一種復(fù)合型的結(jié)構(gòu)形式。該橋梁工程跨度大，主梁兩側(cè)的主縱梁和拱肋構(gòu)成一種孔和拱為一體的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。其中的拱肋結(jié)構(gòu)是一種圓形的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式，采用高強度鋼絲將拱肋和繩索、吊桿捆綁在一起，與主梁進行搭接；其中的橋面板和主縱梁側(cè)面翼板、縱梁頂面也是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的關(guān)鍵節(jié)點，通過搭接制作成為正交異性板，拱腳起著非常重要的支撐作用。橋梁主體結(jié)構(gòu)在支架上進行施工操作，利用邊孔進行腳手架搭設(shè)滿布支架作為支撐平臺，并利用其他梁體作為支撐點，在完成主梁和橋面板拱的施工后，拆除支架進行橋面的施工（見圖1）。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)

2 剛梁剛拱縱橫梁體系的整體橋面受拉對策研究

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

第一，組合結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。對于主縱梁、拱及4 個橋墩在具體施工時需要確保其處于一定的受力狀態(tài)，橫梁需要制作成為一種落架形式，主縱梁需要分段澆筑，在預(yù)應(yīng)力張拉完成后，通過加工和吊桿施工將4個橋墩的橫梁組裝成為平面框架。對于邊孔處的橋面，也需要及時完成，并拆除主梁下的支撐桿，此時主要的受力結(jié)構(gòu)是主縱梁拱。在主縱梁和橋面制作完成后明確全橋主體結(jié)構(gòu)，采用混凝土分層澆筑多個帶孔的小橫梁，在該工序完成后才可以開始小縱梁和橋面的施工，此時整個橋梁是主受力結(jié)構(gòu)，需要對橫截面和活載的受力狀態(tài)進行調(diào)整，依次完成臺面、防水層、隔音屏等附屬結(jié)構(gòu)的施工，但是這些構(gòu)件不處于受力狀態(tài)，不能和主梁共同分擔(dān)荷載。

第二，剛梁剛拱縱橫梁體系的整體橋面受到的拉應(yīng)力。一般情況下，因為連續(xù)澆筑，在主縱梁之間的橋面處會產(chǎn)生收縮應(yīng)力；如果拱腳較大，也會產(chǎn)生推力，這種推力持續(xù)出現(xiàn)，會在橋面上形成一定的拉應(yīng)力；且在中間支撐點處的彎矩內(nèi)也會形成橋面拉應(yīng)力。在以上拉應(yīng)力的共同作用下，橋面會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，對此需要根據(jù)具體問題采取一定的應(yīng)對措施。

2.2 對策研究

第一，橋面裂痕的解決對策。一是在橋面的澆筑過程中可以使用微膨脹混凝土，依靠膨脹劑的作用彌補混凝土的收縮，促使橋面內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。二是在后期的施工中，為了提高混凝土本身的抗壓應(yīng)力，可以在混凝土中加入一定量的纖維素和聚合物等材料，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的混凝土裂縫。三是可以對橋面施加預(yù)壓應(yīng)力，有效降低混凝土的拉應(yīng)力，減少裂縫出現(xiàn)的概率或者縮減裂縫的寬度。四是可以采用預(yù)先壓重的方法，消除橋面混凝土內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力，通過計算分析，在標準范圍內(nèi)依次均勻布置荷載，有效抵消恒載和活載作用下橋面混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力[1]。

第二，科學(xué)分析不同方法的優(yōu)缺點。對于以上不同的方法，也需要綜合分析其優(yōu)缺點。根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)的特點，第一種方法考慮到在橋面混凝土澆筑的過程中會產(chǎn)生混凝土收縮現(xiàn)象，因此施加橫向收縮應(yīng)力，該方法效果較好，但是縱向收縮應(yīng)力不強。第二種方法可以抵抗縱向拉應(yīng)力，有效避免混凝土裂縫，但是該方法經(jīng)濟性不強。第三種方法可以對主縱橫梁施加應(yīng)力，以此穩(wěn)定橋面，減少裂縫出現(xiàn)的概率。第四種方法主要應(yīng)用在恒載和活載的狀態(tài)下，有效抵消拉應(yīng)力，該方法效果最佳，但是需要使用較大噸位的壓重機械。

第三，采用一定的設(shè)計方法。在具體設(shè)計前可以根據(jù)實際情況采用不同的方法，對于后期澆筑的橫梁、小縱梁、橋面板內(nèi)部的混凝土需要使用微膨脹混凝土，然后根據(jù)一定的配比要求選擇收縮類型的材料。且可以在具體設(shè)計時在小縱梁和橋面板之間的孔節(jié)處施加預(yù)應(yīng)力，然后將預(yù)應(yīng)力均勻布置在小縱梁處，或者直接在中孔內(nèi)施加重力。在現(xiàn)有剛梁剛拱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采用縱橫梁體系的整體橋面組合結(jié)構(gòu)形式，對于其中的不足也可以在后期修補解決。該方法非常可靠，可以提高橋梁的整體剛度、受力度，降低結(jié)構(gòu)高度，是一種當(dāng)前非常有效的控制線路高度的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。

3 拱腳的受力狀態(tài)和構(gòu)造設(shè)計

路橋工程的主體結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁和鋼管拱肋連接而成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體，在底端還有拱腳，拱腳是該結(jié)構(gòu)的核心支撐點，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，考慮到該結(jié)構(gòu)中的主縱梁剛度較大，需要承受軸力和彎矩，因此拱腳和梁體的連接處也會受力，且受力狀態(tài)復(fù)雜多變。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

拱腳的材料是鋼筋混凝土，為了更好地分析該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力大小，需要采用性能分析的方法把握拱肋和主縱梁之間的傳力機理，并采用彈性理論分析方法定量預(yù)測出拱腳在不同條件下的應(yīng)力狀態(tài)。然后，根據(jù)預(yù)應(yīng)力特點設(shè)計鋼筋布置圖，制訂施工方案，確保鋼筋混凝土拱腳使用安全、可靠、穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上需要充分發(fā)揮拱腳技術(shù)的優(yōu)勢[2]。

3.2 對策研究

第一，采用結(jié)構(gòu)分析軟件對拱腳部位進行三維空間分析，具體步驟如下：先需要構(gòu)建模型，通過可視化的模型分析橋面中雙主梁和縱橫梁的結(jié)構(gòu)特點和連接關(guān)系，其拱肋是一種鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱腳是一種鋼筋混凝土和梁的連接結(jié)構(gòu)。為了更好地分析這些結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)和大小，需要采用模型理論進行測試，結(jié)合雙主梁結(jié)構(gòu)受力的特點創(chuàng)建空間模型，以某一處拱肋或拱腳作為主要的對象，計算兩側(cè)主縱梁之間的橫梁作用；還需要在一定依據(jù)和標準下在拱腳連接結(jié)構(gòu)處創(chuàng)建新模型，根據(jù)模型更加精準地控制中支墩左側(cè)梁段、右側(cè)梁段、拱肋的長度。

第二，對于拱腳處梁高、梁底寬、梁體高、拱肋端截面高度和寬度也都需要加強控制，最終確保整個拱軸線呈一種二次拋物線形式。根據(jù)右手法則沿著橋縱向位置繪制坐標系，并進行單元劃分，然后采用一種節(jié)點非協(xié)調(diào)三維實體單元對模型進行分類，將其劃分成為多個單元、節(jié)點、自由度，并精準控制單元的邊長。對于其邊界條件也需要科學(xué)控制，在具體選擇支座時需要事先擬定受力不穩(wěn)定狀態(tài)下的情況，在此過程中需要對高梁段底面的節(jié)點自由度進行調(diào)整，檢測受力不佳狀態(tài)下的變形情況。對于梁體兩側(cè)和拱肋端界面可以直接作為加載截面處理，并確保整體自由度處于放松狀態(tài)下，根據(jù)靜力等效的原則，利用整體模型計算方法直接得出各個截面的內(nèi)力素，再采用換算方法處理后也可以得出節(jié)點力，最終對吊桿內(nèi)力節(jié)點進行科學(xué)處理[3]。

另外，在具體加載不同的截面時也需要注意其工況，明確截面的預(yù)應(yīng)力，采用結(jié)構(gòu)分析軟件內(nèi)的彩色等值線圖和節(jié)點平均應(yīng)力數(shù)值進行計算、分析，發(fā)現(xiàn)拱肋內(nèi)應(yīng)力分布非常均勻，且在拱腳內(nèi)側(cè)圓弧和支座處的壓應(yīng)力數(shù)值也非常大。拱腳內(nèi)圓弧和梁體表面的連接處也會出現(xiàn)不同的拉應(yīng)力，但是其分布范圍較小，拉應(yīng)力數(shù)值較大，在梁體和拱肋處沒有拉應(yīng)力，因此整個拉應(yīng)力數(shù)值處于標準范圍內(nèi)[4]。且在和橋軸方向相平衡的拱腳平面內(nèi)，主壓力跡線會和拱軸線保持平行，并沿著拱肋向著支座的方向延伸。對于主拉應(yīng)力跡線也會均勻分布在支座四周和拱腳內(nèi)側(cè)圓弧附近，呈弧線形，并和主壓應(yīng)力跡線相垂直，準確把握拱腳主應(yīng)力需要科學(xué)繪制等值線圖。

第三，構(gòu)造措施。考慮到拱肋和主縱梁之間的連接處剛度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，對此在具體設(shè)計拱腳時需要將拱腳內(nèi)側(cè)和外側(cè)設(shè)置成為一種圓弧形狀，作為過渡段，避免剛度過大，通過計算結(jié)果分析，這種設(shè)計是非常合理、可靠的。對于拱肋水平處的推力也會沿著主縱梁的上端向梁部轉(zhuǎn)變，促使水平方向的推力以此傳遞到整個梁體中，在此過程中需要加強重視，避免在梁的上端拉應(yīng)力過度集中。可以將拱肋的主鋼筋沿著拱軸線延伸到拱軸線和主縱梁軸線相互連接的節(jié)點處，此外，也可以在拱腳和梁體相連接處設(shè)置縱橫向鋼筋網(wǎng)，以此提高梁體的整體性能。對于拱腳內(nèi)部的圓弧也可以沿著主鋼筋外側(cè)的拉應(yīng)力方向在圓弧和拱肋的表面端設(shè)置垂直預(yù)應(yīng)力，在圓弧內(nèi)部設(shè)置沿著弧形分布的鋼筋，與其他鋼筋焊接成為一個整體。在拱腳處如果分布有較大體積的混凝土，在具體澆筑時會因為內(nèi)部鋼筋數(shù)量較大、分布較廣而增加難度，影響后期施工，對此需要適當(dāng)增加拱腳內(nèi)部面層防裂鋼筋的直徑，并加大鋼筋間距，為后期施工奠定基礎(chǔ)。以此保障混凝土的澆筑質(zhì)量。

3.3 研究結(jié)論

通過對鋼筋局部的應(yīng)力進行分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有拱腳的處理方案是非常可靠的，在應(yīng)力分析下可以有效把握復(fù)雜拱腳結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并明確其薄弱點，以此科學(xué)地進行處理，制定可靠的處理對策。

4 鋼管拱灌注混凝土整體和局部應(yīng)力狀態(tài)對策研究

4.1 施工工序

鋼管拱結(jié)構(gòu)的施工工序為：在工廠預(yù)制鋼管拱管節(jié)—在橋面支架上拼裝成鋼管拱—拆除鋼管拱的支架—進行鋼管拱內(nèi)部混凝土灌注。在鋼管拱灌注混凝土過程中，需要處理好局部和整體之間的關(guān)系[5]。

4.2 對策分析

第一，采用分析軟件在把握結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上對鋼管拱灌注混凝土施工的全過程進行自動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在灌注施工的過程中，因為鋼管拱剛度沒有達到設(shè)計標準，出現(xiàn)了移動的現(xiàn)象，且移動呈應(yīng)變非線性特性。由此可以進一步得出鋼管拱灌注混凝土受力狀態(tài)復(fù)雜，此時可以根據(jù)線性彈性原理進行分析、處理，但是這種方法會產(chǎn)生誤差，為了提高處理的精準度，還需要監(jiān)測具體的變形程度，分析原因和對策，及時控制，確保該結(jié)構(gòu)體的安全、穩(wěn)固，并為后期施工提供依據(jù)。且在具體分析鋼管拱灌注混凝土?xí)r也需要利用非線性有限元程序，采用多鋼管拱進行空間梁單元模擬。并在模擬灌注混凝土的過程中適當(dāng)?shù)卦阡摴芄皢卧鲜┘雍奢d，確保荷載集中在鋼管拱內(nèi)灌注的混凝土上。

第二，鋼管拱灌注混凝土施工方案的設(shè)計。設(shè)計多個方案，不同的方案采用不同的混凝土灌注工藝和流程。然后進行計算分析，在具體計算時可以采用一定的結(jié)構(gòu)分析軟件計算鋼管拱主截面應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上科學(xué)選擇施工方案，確保方案能滿足實際施工要求。

第三，精度檢驗。如果出現(xiàn)偏差需要對計算結(jié)果進行復(fù)測，判斷其精準度，在此過程中需要采用相關(guān)軟件結(jié)合線性彈性理論、非線性彈性理論對計算、測試結(jié)果進行對比和分析，以此檢驗其精準度。

4.3 研究結(jié)論

對超限應(yīng)力進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)控制數(shù)值小于計算的應(yīng)力；采用結(jié)構(gòu)分析軟件計算的結(jié)果符合實際測試的結(jié)果；采用其他程序計算的結(jié)果是應(yīng)力較為均衡，變化較小，數(shù)值較小[6]。

5 柔性支撐預(yù)應(yīng)力混凝土梁的模擬方法

為了提高柔性梁支撐力度，確保連續(xù)梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，需要采用不同的模擬方法，具體包括虛擬模擬和柔性支撐模擬兩種。虛擬模擬是將柔性梁和混凝土梁采用虛擬桿件模擬方法進行計算，如果此時受壓均衡，則表明兩者連接穩(wěn)固。柔性支撐模擬方法可以優(yōu)化計算流程，主要對單向受力桿和雙向受力桿進行計算。

6 結(jié)語

連續(xù)梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其復(fù)雜性體現(xiàn)在設(shè)計、施工、使用、維護的各個環(huán)節(jié)，對此需要對每個環(huán)節(jié)的操作加強重視，根據(jù)具體要求和標準采用科學(xué)的技術(shù)進行處理。另外，還需要把握具體的結(jié)構(gòu)特點和施工要求，充分發(fā)揮該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和作用，更好地為后續(xù)橋梁工程的施工建設(shè)提供支撐。