殷中輝

(貴州省公路工程集團有限公司)

1 桑壩大橋的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(tǒng)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(xiàn)澆施工。腹孔空心板采用預制吊裝施工。

1.3 橋梁結(jié)構(gòu)受力分析驗算

(1)計算參數(shù)的取定。

結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)點集中荷載型式考慮;車道荷載按規(guī)范要求以兩車道計入;汽車荷載沖擊系數(shù)根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60－2004)取值;人群荷載按4.02 kN/m 計算;結(jié)構(gòu)體系計算溫度的取值，結(jié)構(gòu)在其使用期內(nèi)根據(jù)公路橋涵設計通用規(guī)范的有關(guān)規(guī)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(jié)構(gòu)，梯度溫度不作考慮;活載橫向分配系數(shù)，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62－2004)相關(guān)規(guī)定考慮，拱圈內(nèi)力要增加，但該規(guī)范有關(guān)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(shù)，拱圈內(nèi)力相應有所減小，綜合這一增一減的因素，在進行拱圈內(nèi)力計算時，不考慮活載橫向分配系數(shù)的影響。

(2)結(jié)構(gòu)分析計算。

主孔結(jié)構(gòu)受力按平面桿系理論分析計算，將主孔結(jié)構(gòu)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(jié)點，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)計算分析系統(tǒng)(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(nèi)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(nèi)力(Nd)及對應截面計算抗力(NR)如表1 所示。

表1 驗算截面內(nèi)力及抗力值

表中計算結(jié)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(nèi)力值之比均大于1，拱圈截面強度驗算滿足規(guī)范要求。

(5)使用階段拱圈縱向穩(wěn)定驗算。

根據(jù)規(guī)范(JTG D62－2004)，拱圈應按鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件驗算拱的縱向穩(wěn)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(chǎn)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(jù)規(guī)范中相關(guān)公式計算得拱圈抗力效應為NR=163 914(kN)，縱向穩(wěn)定驗算系數(shù)為3.84 ＞1，拱的縱向穩(wěn)定驗算滿足規(guī)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(jù)各施工階段的應力驗算，除拱腳截面上緣出現(xiàn)較小拉應力外，其余各驗算均沒有出現(xiàn)拉應力，但出現(xiàn)的拉應力沒有超過規(guī)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(xiàn)拉應力，拱圈不會發(fā)生開裂，滿足規(guī)范要求。

(7)拱圈撓度驗算。

經(jīng)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(jié)點變位的驗算，節(jié)點最大變位值為拱頂最大負豎向位移7.51 cm，滿足規(guī)范規(guī)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，除在第6施工階段拱腳截面上緣出現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)化建議措施

(1)關(guān)于主拱圈構(gòu)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(diào)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(nèi)操作，應調(diào)整至60 cm 左右;拱箱斷面的邊箱寬度調(diào)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(gòu)造應加大各方向倒角尺寸，設為8 × 8 cm，以增加頂?shù)装?、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(cè)厚度設為8 cm，以方便澆筑混凝土;中接頭連接構(gòu)造的底板采用槽鋼相接，以增加拱圈整體剛度。

(2)關(guān)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(nèi))，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(guī)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(xiàn)澆層的聯(lián)系，邊腹板上部應預埋豎向(徑向、單排)Φ12 鋼筋，并與整體化現(xiàn)澆層鋼筋網(wǎng)焊接，一般間距不大于20 cm，并考慮在柱座范圍內(nèi)適當加密布置;預制橫隔板的所有豎向鋼筋還應與頂?shù)装鍣M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(nèi)要預埋間距不大于20 cm 的Φ12 徑向鋼筋(一道縫內(nèi)橫向兩排)，并與整體化現(xiàn)澆層鋼筋網(wǎng)焊接。

2 關(guān)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(xiàn)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(shù)把關(guān)，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(guī)定，必須具有這種橋梁施工經(jīng)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(zhì)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(guān)注的經(jīng)驗教訓。

(3)吊裝箱型拱橋設計與施工工藝關(guān)系密切，設計單位要及早與施工單位取得聯(lián)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(xié)調(diào)，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(jié)構(gòu)計算分析系統(tǒng)(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(guī)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.