连续梁拱组合桥梁设计关键技术对策研究

2023-05-22郭俊

运输经理世界 2023年5期

郭俊

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

连续梁拱组合结构形式对地基和使用材料的要求较高，对此，工程设计人员在具体设计连续梁拱组合结构形式之前需要把握连续梁拱组合桥梁的发展历程、变化轨迹、技术体系，然后深入分析其结构形式的特点、基本原理、操作要求。当前连续梁拱组合结构形式已被应用到我国多个地区的路桥工程中，为了确保工程质量符合要求，需要科学分析连续梁拱组合结构形式的特点，制定可靠的技术应用对策。

1 工程概述

本文以某城市轨道交通路桥工程为例，该桥梁通过预应力混凝土连续梁和钢管拱的组合形成了一种复合型的结构形式。该桥梁工程跨度大，主梁两侧的主纵梁和拱肋构成一种孔和拱为一体的预应力混凝土连续梁。其中的拱肋结构是一种圆形的钢管混凝土结构形式，采用高强度钢丝将拱肋和绳索、吊杆捆绑在一起，与主梁进行搭接；其中的桥面板和主纵梁侧面翼板、纵梁顶面也是预应力混凝土连续梁的关键节点，通过搭接制作成为正交异性板，拱脚起着非常重要的支撑作用。桥梁主体结构在支架上进行施工操作，利用边孔进行脚手架搭设满布支架作为支撑平台，并利用其他梁体作为支撑点，在完成主梁和桥面板拱的施工后，拆除支架进行桥面的施工（见图1）。

图1 桥梁结构

2 刚梁刚拱纵横梁体系的整体桥面受拉对策研究

2.1 关键技术

第一，组合结构受力状态。对于主纵梁、拱及4 个桥墩在具体施工时需要确保其处于一定的受力状态，横梁需要制作成为一种落架形式，主纵梁需要分段浇筑，在预应力张拉完成后，通过加工和吊杆施工将4个桥墩的横梁组装成为平面框架。对于边孔处的桥面，也需要及时完成，并拆除主梁下的支撑杆，此时主要的受力结构是主纵梁拱。在主纵梁和桥面制作完成后明确全桥主体结构，采用混凝土分层浇筑多个带孔的小横梁，在该工序完成后才可以开始小纵梁和桥面的施工，此时整个桥梁是主受力结构，需要对横截面和活载的受力状态进行调整，依次完成台面、防水层、隔音屏等附属结构的施工，但是这些构件不处于受力状态，不能和主梁共同分担荷载。

第二，刚梁刚拱纵横梁体系的整体桥面受到的拉应力。一般情况下，因为连续浇筑，在主纵梁之间的桥面处会产生收缩应力；如果拱脚较大，也会产生推力，这种推力持续出现，会在桥面上形成一定的拉应力；且在中间支撑点处的弯矩内也会形成桥面拉应力。在以上拉应力的共同作用下，桥面会出现开裂现象，对此需要根据具体问题采取一定的应对措施。

2.2 对策研究

第一，桥面裂痕的解决对策。一是在桥面的浇筑过程中可以使用微膨胀混凝土，依靠膨胀剂的作用弥补混凝土的收缩，促使桥面内部产生预应力。二是在后期的施工中，为了提高混凝土本身的抗压应力，可以在混凝土中加入一定量的纤维素和聚合物等材料，避免应力集中导致的混凝土裂缝。三是可以对桥面施加预压应力，有效降低混凝土的拉应力，减少裂缝出现的概率或者缩减裂缝的宽度。四是可以采用预先压重的方法，消除桥面混凝土内部的预应力，通过计算分析，在标准范围内依次均匀布置荷载，有效抵消恒载和活载作用下桥面混凝土产生的拉应力[1]。

第二，科学分析不同方法的优缺点。对于以上不同的方法，也需要综合分析其优缺点。根据桥梁工程结构的特点，第一种方法考虑到在桥面混凝土浇筑的过程中会产生混凝土收缩现象，因此施加横向收缩应力，该方法效果较好，但是纵向收缩应力不强。第二种方法可以抵抗纵向拉应力，有效避免混凝土裂缝，但是该方法经济性不强。第三种方法可以对主纵横梁施加应力，以此稳定桥面，减少裂缝出现的概率。第四种方法主要应用在恒载和活载的状态下，有效抵消拉应力，该方法效果最佳，但是需要使用较大吨位的压重机械。

第三，采用一定的设计方法。在具体设计前可以根据实际情况采用不同的方法，对于后期浇筑的横梁、小纵梁、桥面板内部的混凝土需要使用微膨胀混凝土，然后根据一定的配比要求选择收缩类型的材料。且可以在具体设计时在小纵梁和桥面板之间的孔节处施加预应力，然后将预应力均匀布置在小纵梁处，或者直接在中孔内施加重力。在现有刚梁刚拱结构设计中，可以采用纵横梁体系的整体桥面组合结构形式，对于其中的不足也可以在后期修补解决。该方法非常可靠，可以提高桥梁的整体刚度、受力度，降低结构高度，是一种当前非常有效的控制线路高度的大跨度空间结构形式。

3 拱脚的受力状态和构造设计

路桥工程的主体结构是预应力混凝土连续梁和钢管拱肋连接而成的一种复合结构体，在底端还有拱脚，拱脚是该结构的核心支撑点，发挥着关键的作用，考虑到该结构中的主纵梁刚度较大，需要承受轴力和弯矩，因此拱脚和梁体的连接处也会受力，且受力状态复杂多变。

3.1 关键技术

拱脚的材料是钢筋混凝土，为了更好地分析该结构的受力状态和预应力大小，需要采用性能分析的方法把握拱肋和主纵梁之间的传力机理，并采用弹性理论分析方法定量预测出拱脚在不同条件下的应力状态。然后，根据预应力特点设计钢筋布置图，制订施工方案，确保钢筋混凝土拱脚使用安全、可靠、稳定，在此基础上需要充分发挥拱脚技术的优势[2]。

3.2 对策研究

第一，采用结构分析软件对拱脚部位进行三维空间分析，具体步骤如下：先需要构建模型，通过可视化的模型分析桥面中双主梁和纵横梁的结构特点和连接关系，其拱肋是一种钢管混凝土结构，拱脚是一种钢筋混凝土和梁的连接结构。为了更好地分析这些结构的预应力状态和大小，需要采用模型理论进行测试，结合双主梁结构受力的特点创建空间模型，以某一处拱肋或拱脚作为主要的对象，计算两侧主纵梁之间的横梁作用；还需要在一定依据和标准下在拱脚连接结构处创建新模型，根据模型更加精准地控制中支墩左侧梁段、右侧梁段、拱肋的长度。

第二，对于拱脚处梁高、梁底宽、梁体高、拱肋端截面高度和宽度也都需要加强控制，最终确保整个拱轴线呈一种二次抛物线形式。根据右手法则沿着桥纵向位置绘制坐标系，并进行单元划分，然后采用一种节点非协调三维实体单元对模型进行分类，将其划分成为多个单元、节点、自由度，并精准控制单元的边长。对于其边界条件也需要科学控制，在具体选择支座时需要事先拟定受力不稳定状态下的情况，在此过程中需要对高梁段底面的节点自由度进行调整，检测受力不佳状态下的变形情况。对于梁体两侧和拱肋端界面可以直接作为加载截面处理，并确保整体自由度处于放松状态下，根据静力等效的原则，利用整体模型计算方法直接得出各个截面的内力素，再采用换算方法处理后也可以得出节点力，最终对吊杆内力节点进行科学处理[3]。

另外，在具体加载不同的截面时也需要注意其工况，明确截面的预应力，采用结构分析软件内的彩色等值线图和节点平均应力数值进行计算、分析，发现拱肋内应力分布非常均匀，且在拱脚内侧圆弧和支座处的压应力数值也非常大。拱脚内圆弧和梁体表面的连接处也会出现不同的拉应力，但是其分布范围较小，拉应力数值较大，在梁体和拱肋处没有拉应力，因此整个拉应力数值处于标准范围内[4]。且在和桥轴方向相平衡的拱脚平面内，主压力迹线会和拱轴线保持平行，并沿着拱肋向着支座的方向延伸。对于主拉应力迹线也会均匀分布在支座四周和拱脚内侧圆弧附近，呈弧线形，并和主压应力迹线相垂直，准确把握拱脚主应力需要科学绘制等值线图。

第三，构造措施。考虑到拱肋和主纵梁之间的连接处刚度不稳定，容易出现应力集中的情况，对此在具体设计拱脚时需要将拱脚内侧和外侧设置成为一种圆弧形状，作为过渡段，避免刚度过大，通过计算结果分析，这种设计是非常合理、可靠的。对于拱肋水平处的推力也会沿着主纵梁的上端向梁部转变，促使水平方向的推力以此传递到整个梁体中，在此过程中需要加强重视，避免在梁的上端拉应力过度集中。可以将拱肋的主钢筋沿着拱轴线延伸到拱轴线和主纵梁轴线相互连接的节点处，此外，也可以在拱脚和梁体相连接处设置纵横向钢筋网，以此提高梁体的整体性能。对于拱脚内部的圆弧也可以沿着主钢筋外侧的拉应力方向在圆弧和拱肋的表面端设置垂直预应力，在圆弧内部设置沿着弧形分布的钢筋，与其他钢筋焊接成为一个整体。在拱脚处如果分布有较大体积的混凝土，在具体浇筑时会因为内部钢筋数量较大、分布较广而增加难度，影响后期施工，对此需要适当增加拱脚内部面层防裂钢筋的直径，并加大钢筋间距，为后期施工奠定基础。以此保障混凝土的浇筑质量。

3.3 研究结论

通过对钢筋局部的应力进行分析发现，现有拱脚的处理方案是非常可靠的，在应力分析下可以有效把握复杂拱脚结构的受力状态，并明确其薄弱点，以此科学地进行处理，制定可靠的处理对策。

4 钢管拱灌注混凝土整体和局部应力状态对策研究

4.1 施工工序

钢管拱结构的施工工序为：在工厂预制钢管拱管节—在桥面支架上拼装成钢管拱—拆除钢管拱的支架—进行钢管拱内部混凝土灌注。在钢管拱灌注混凝土过程中，需要处理好局部和整体之间的关系[5]。

4.2 对策分析

第一，采用分析软件在把握结构特点的基础上对钢管拱灌注混凝土施工的全过程进行自动监测，根据监测数据信息进行计算，结果发现，在灌注施工的过程中，因为钢管拱刚度没有达到设计标准，出现了移动的现象，且移动呈应变非线性特性。由此可以进一步得出钢管拱灌注混凝土受力状态复杂，此时可以根据线性弹性原理进行分析、处理，但是这种方法会产生误差，为了提高处理的精准度，还需要监测具体的变形程度，分析原因和对策，及时控制，确保该结构体的安全、稳固，并为后期施工提供依据。且在具体分析钢管拱灌注混凝土时也需要利用非线性有限元程序，采用多钢管拱进行空间梁单元模拟。并在模拟灌注混凝土的过程中适当地在钢管拱单元上施加荷载，确保荷载集中在钢管拱内灌注的混凝土上。

第二，钢管拱灌注混凝土施工方案的设计。设计多个方案，不同的方案采用不同的混凝土灌注工艺和流程。然后进行计算分析，在具体计算时可以采用一定的结构分析软件计算钢管拱主截面应力，在此基础上科学选择施工方案，确保方案能满足实际施工要求。

第三，精度检验。如果出现偏差需要对计算结果进行复测，判断其精准度，在此过程中需要采用相关软件结合线性弹性理论、非线性弹性理论对计算、测试结果进行对比和分析，以此检验其精准度。