弦杆支点处沉降作用下刚架拱桥受力分析对比

2011-05-22谌乐强

山西建筑 2011年20期

鄢真谌乐强

0 引言

钢筋混凝土刚架拱桥是在双曲拱桥、桁架拱桥、肋拱桥和斜腿刚构桥的基础上，结合我国拱桥特点及无支架施工经验而发展起来的一种桥型，由主拱腿、实腹段、腹孔弦杆、斜撑和横系梁等构件拼组而成裸肋，然后在其上安装带有加劲肋的微弯板和悬臂板，并通过现浇混凝土桥面与裸肋结成整体组合结构。该桥型具有自重轻、材料省、整体性能好、外形美观、装配化程度高等优点［1］，故在我国20世纪80年代被大量的修建。实践证明，它们中的大多数经过加固维修是可以继续安全使用的，甚至能够经过加固提载来达到更高的设计标准［2］。

本文以江西省宜春市老袁河大桥(刚架拱)加固提载工程为例，着重介绍通过计算软件分析大桥不同桥跨的弦杆支点处沉降值的变化对刚架拱主拱片各控制节点的内力值影响，从而达到对应病害特征采取有效加固提载措施的目的。

1 桥梁概况

老袁河大桥建成于1989年，原设计荷载等级为“汽车—20级，挂车—100”，桥面全宽为1.75 m(人行道)+9 m(行车道)+1.64 m(护轮带及防撞护栏)。大桥上部结构为5跨净跨径约为30 m的钢筋混凝土刚架拱，下部构造为重力式桥墩配扩大基础，0号桥台为组合式桥台配扩大基础，5号桥台为浆砌U形桥台配扩大基础。

由于大桥第三跨萍乡岸弦杆支点发生较大沉陷(最大沉陷值达5 cm)，并由此导致弦杆严重开裂(最大裂缝宽度达1.0 mm)，危及过往车辆与行人的安全，已对大桥进行了封闭交通管制。

2 大桥原有病害

1)桥面系。大桥3号桥墩处行车道桥面铺装横桥向贯穿碎裂且下陷，其余各桥墩、台处桥面铺装均存在横桥向贯穿裂缝，部分弦杆节点对应处桥面铺装亦存在横桥向贯穿开裂的病害;行车道两侧边缘局部存在积水现象;人行道板及路缘石存在镶面石局部破损等病害。2)微弯板。桥面微弯板底面普遍存在纵、横向裂缝，且部分桥面微弯板裂缝超过规范限值，严重者裂缝宽度达到1 mm。3)主拱片。部分主拱片实腹段竖向或三面环向开裂，且裂缝宽度在规范限值范围内;第3跨及第4跨部分主拱腿支点上缘开裂;主拱片大、小节点普遍存在斜向裂缝;内、外弦杆普遍存在竖向裂缝或三面环向裂缝;第3跨2号及3号主拱片斜撑端头底面横向开裂。4)横系梁。部分横系梁及横隔板与主拱片相接处局部开裂，并伴有混凝土脱落和露筋锈蚀现象。5)墩上立墙。2号～4号桥墩墩上立墙于部分弦杆支点处存在顶面混凝土被压碎的现象，导致局部弦杆支点下沉。

3 结构有限元分析

3.1 计算模型的建立

本次计算依据实测拱轴线的坐标，采用桥梁结构计算程序MIDAS-Civil建立有限元模型来进行结构理论分析。因现场检测发现第3跨(特殊跨:外弦杆支点沉降值为5 cm)主拱片病害较其他桥跨(标准跨:外弦杆支点沉降值为2 cm)主拱片更为严重，故在其他条件均相同的情况下，仅考虑弦杆支座沉降量不同进行对比;将净跨径为30 m的钢筋混凝土刚架拱结构离散为117个节点，112个单元。其有限元模型见图1。

3.2 检算原则及特点

1)检算时分别取用原设计荷载等级“汽车—20级、挂车—100”及现行规范荷载等级“公路—Ⅰ级”来检算上部结构的内力。

2)刚架拱计算要点:a.有限元模型依据实测主拱片下缘坐标及各构件实测细部尺寸建立，主拱片两岸拱脚均为固结。b.依据原设计结构计算要点，采用桥梁荷载横向分布系数(弹性支撑连续梁法)的概念，将空间结构转换为平面结构进行结构计算;考虑微弯板和主拱片形成的组合截面共同参与作用。c.计算中根据该桥的实际施工顺序，分别按浇筑主拱片成拱、预制安装弦杆及斜撑、固定主拱片拱脚、安装微弯板、浇筑桥面铺装、安装人行道、收缩徐变、弦杆支座下沉共8个施工阶段进行计算。d.分别依据JTJ 021-89公路桥涵设计通用规范及JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范中的作用组合原则各选取最不利荷载组合进行内力比较。

结构检算荷载组合一览表见表1。

表1 结构检算荷载组合一览表

3.3 理论分析结果

根据刚架拱桥结构特点，选取了斜撑支点、外弦杆跨中、弦杆小节点、主拱腿拱脚、主拱片1/4处、实腹段跨中6个断面进行内力分析，分析结果见图2，图3。

表2 标准跨与特殊跨刚架拱主拱片内力值对比一览表

4 综合分析结果

根据现场病害检测情况及标准跨和特殊跨有限元分析的结果对比(见表2)，发现弦杆支点处的沉降值，对主拱片的斜撑支点、外弦杆跨中和弦杆小节点均有较大影响，主要体现在:

1)标准跨和特殊跨的主拱片实腹段跨中内力变化不明显，所以在现场检测时，仅观测到全桥各跨实腹段跨中轻微的竖向裂缝或环向裂缝，弦杆支点沉降作用不明显。2)标准跨和特殊跨的斜撑和弦杆靠近小节点处及弯矩和轴力差值较大，使得特殊跨在此截面处出现了较为严重的开裂现象，弦杆支点沉降作用明显。3)标准跨和特殊跨在拱脚截面内力变化不明显，且内力值均小于该截面内力抗力，故仅部分拱脚上缘存在横桥向开裂现象，弦杆支点沉降作用不明显。4)主拱片1/4跨内力无明显变化，全桥各跨在该截面处未发现结构性病害。5)由于弦杆支点处发生沉降(沉降值约为5 cm)，使得特殊跨线形和部分截面内力发生了较大的变化;而主体结构线形的变化，反射到桥面使其开裂;加上桥面局部因弦杆支点沉降而发生下陷现象，使得行车极不平顺，加大了车辆对于桥跨结构的冲击。