關(guān)于剛架拱橋病害分析及上部和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2015-07-02 
   1、前言

   剛架拱橋在20世紀(jì)70年代末隨著雙曲拱橋的大量建設(shè)發(fā)展而來(lái),該橋型構(gòu)件少、自重輕、節(jié)省材料、施工方便、造型輕巧美觀。鑒于上述優(yōu)點(diǎn),相關(guān)單位設(shè)計(jì)了剛架拱橋的定型設(shè)計(jì)圖,并在國(guó)內(nèi)大量修建。由于后期修建的剛架拱橋不能完全符合定型設(shè)計(jì)圖的適用條件以及存在構(gòu)造處理、計(jì)算手段、施工質(zhì)量的缺陷,加之日益加重的超載運(yùn)輸?shù)仍?,剛架拱橋在使用過(guò)程中出現(xiàn)了諸多病害,影響了正常使用。通過(guò)分析病害產(chǎn)生的原因,進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與精心施工,剛架拱橋仍具有很強(qiáng)的生命力和優(yōu)越性。

   本文結(jié)合定型設(shè)計(jì)圖,分析了各種病害產(chǎn)生的原因,提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)措施,在西部黃土地區(qū)成功設(shè)計(jì)了主跨50m的剛架拱橋。為有效抵抗拱橋水平推力,減少基礎(chǔ)工程量,合理地將地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用

   于該橋。

   2、剛架拱橋優(yōu)化設(shè)計(jì)

   2.1定型設(shè)計(jì)圖介紹國(guó)內(nèi)已修建的剛架拱橋,大部分源于20世紀(jì)80年代的定型設(shè)計(jì)圖,為了分析剛架拱橋病害產(chǎn)生的原因并和優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)造對(duì)比,對(duì)定型設(shè)計(jì)圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。。

   (1)采用規(guī)范:《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(試行),1975》和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ1~81)。

   (2)技術(shù)指標(biāo):跨徑包括25,30,35,40,45,50,60m;荷載標(biāo)準(zhǔn)包括汽一15、20、超20級(jí),掛~80、100、120級(jí);橋面凈寬包括凈一7m、凈一9m。

   (3)約束條件:拱腳在恒載作用下為鉸接(施工期),在使用荷載作用下為固結(jié)(運(yùn)營(yíng)期);斜撐支座在各種荷載作用下均為鉸接。

   (4)橫向分布系數(shù):采用彈性支撐連續(xù)梁簡(jiǎn)化計(jì)算,并根據(jù)《剛架拱橋研究報(bào)告》的建議,將所得橫向分布系數(shù)乘以1.1得到。

   2.2剛架拱橋主要病害及其成因分析

   (1)微彎板及其加勁肋嚴(yán)重開(kāi)裂I2]。主要原因:①定型設(shè)計(jì)考慮了微彎板的起拱效應(yīng)和薄膜力效應(yīng),微彎板的跨中厚度僅為6CiTI,由于厚度偏薄加之施工誤差的存在使配筋位置出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致微彎板承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求;②鋪裝層和微彎板粘結(jié)不良,不能確保共同受力,橋面荷載僅由微彎板承擔(dān),超出了微彎板的承載能力;③主拱肋橫向剛度偏小,在橋面板的作用下產(chǎn)生橫向位移,減弱了微彎板的起拱效應(yīng)。

   (2)拱肋實(shí)腹段底緣嚴(yán)重開(kāi)裂州,甚至出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象。主要原因:①橫梁的剛度偏低且與拱肋結(jié)合不牢固,導(dǎo)致實(shí)際橫向分布系數(shù)大于理論值,超出了拱肋的實(shí)際承載能力;②鋪裝層和主體結(jié)構(gòu)粘結(jié)不良,整體效應(yīng)不足;③拱頂連接采用鋼板接頭,因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開(kāi)裂;④基礎(chǔ)水平變位超出設(shè)計(jì)容許值,造成拱肋開(kāi)裂。

   (3)大、小節(jié)點(diǎn)處開(kāi)裂(大節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較寬的順橋向水平裂縫,小節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)整體斷裂)]。主要原因:①拱腿和弦桿與大節(jié)點(diǎn)的連接處使用了鋼板接頭,因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開(kāi)裂;②小節(jié)點(diǎn)處雖然使用了現(xiàn)澆接頭,但是現(xiàn)澆長(zhǎng)度僅2OCITI,混凝土澆筑不密實(shí),在混凝土收縮、徐變作用下與預(yù)制構(gòu)件結(jié)合不良,導(dǎo)致斷裂。

   (4)橫梁嚴(yán)重開(kāi)裂_2]。主要原因是橫梁截面尺寸較小,并且與拱肋采用型鋼焊接,因鋼板銹蝕及焊接質(zhì)量不良而致開(kāi)裂。

   2.3設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

   通過(guò)對(duì)剛架拱橋的主要病害及其成因分析,可以指導(dǎo)定型設(shè)計(jì)圖優(yōu)化設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)的承載能力,使其滿足現(xiàn)行規(guī)范及正常使用狀態(tài)的要求。主要的優(yōu)化措施:①適當(dāng)增加微彎板的厚度,根據(jù)橫向加載計(jì)算進(jìn)行配筋;②適當(dāng)增加拱肋截面尺寸,提高其豎向和橫向抗彎剛度;③采用空間分析法或較保守的算法計(jì)算拱肋的橫向分布系數(shù),強(qiáng)化拱肋配筋;④將拱頂鋼板接頭和大節(jié)點(diǎn)鋼板接頭改為現(xiàn)澆接頭,杜絕鋼板接頭的銹蝕問(wèn)題,同時(shí)提高結(jié)構(gòu)整體性;⑤優(yōu)化小節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆接頭長(zhǎng)度,保證預(yù)制構(gòu)件連接牢固;⑥優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案,防止基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)大水平位移;⑦優(yōu)化橫梁截面尺寸,改變橫梁與拱肋的連接方式,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,保證各片拱肋共同受力;⑧加強(qiáng)施工過(guò)程質(zhì)量控制。

   3、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的應(yīng)用

   1979年,日本在東北新干線高架橋工程中采用了井筒式地下連續(xù)墻剛性基礎(chǔ),開(kāi)創(chuàng)了地下連續(xù)墻技術(shù)應(yīng)用到橋梁基礎(chǔ)工程上的先河嘲。剛架拱橋是一種有推力的超靜定結(jié)構(gòu),對(duì)基礎(chǔ)

   位移特別是水平位移非常敏感,過(guò)大的水平位移將直接影響結(jié)構(gòu)的承載力。黃土地區(qū)巨厚層黃土中沒(méi)有好的樁端持力層,采用鉆孔樁作為剛架拱橋的基礎(chǔ)只能按照摩擦樁設(shè)計(jì),且樁長(zhǎng)較長(zhǎng),同時(shí)樁基礎(chǔ)可能產(chǎn)生較大水平位移,對(duì)拱橋產(chǎn)生不利影響。井筒式地下連續(xù)墻既能承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向荷載,還能承受橫向荷載_7]。黃土具有很好的直立性,在無(wú)支護(hù)施工下可以開(kāi)挖幾十米的深度。因此,在黃土地區(qū)修建剛架拱橋,采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)具有承載力高、剛度大、工程量小和施工難度低的優(yōu)越特點(diǎn),是非常好的基礎(chǔ)形式。

   4、工程實(shí)例

   4.1工程概況

   某鋼筋混凝土剛架拱橋設(shè)計(jì)荷載為公路一Ⅱ級(jí),凈跨徑50m,全長(zhǎng)66m,橋面凈寬7m,凈矢高6.25m,矢跨比1/8,橋型布置見(jiàn)圖2。全橋由3片拱肋組成,拱肋間距3.2m,。該橋位于黃土地區(qū),橋址區(qū)地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土,以亞粘土為主,稍密~中密狀態(tài),含云母及鈣質(zhì)結(jié)核,容許承載力為200~.280kPa。

   4.2剛架拱橋優(yōu)化設(shè)計(jì)

   根據(jù)計(jì)算分析在定型設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上對(duì)上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和構(gòu)造處理進(jìn)行了優(yōu)化。

   (1)弦桿:截面高度由90cm增加到104cm;截面寬度由35cm增加到40cm;頂部凸起改為微彎板現(xiàn)澆接頭。

   (2)拱頂截面:截面高度由70cm增加到89cm;截面寬度由35cm增加到40cm。

   (3)斜撐:仍采用矩形截面,截面高度由50cm增加到55cm;截面寬度由35cm增加到40cm。

   (4)拱腿:仍采用矩形截面,截面高度由85cm增加到95cm;截面寬度由35cm增加到40cm。

   (5)橫梁:仍采用矩形截面,I型橫梁截面寬度由15cm增加到20cm,截面高度仍為100cm;II型橫梁截面高度由48cm增加到50cm,截面寬度由15cm增加到20cm。

   (6)微彎板:跨中板厚由6cm增加到12cm。

   (7)拱腿固結(jié):拱腿深入橋臺(tái)固結(jié)長(zhǎng)度由30cm增加到50cm。

   (8)節(jié)點(diǎn)處理:大節(jié)點(diǎn)由鋼板接頭改為現(xiàn)澆接頭,可避免銹蝕,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性;小節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆長(zhǎng)度由20cm增加到50cm,增強(qiáng)了預(yù)制構(gòu)件整體性。

   (9)接頭處理:跨中接頭由鋼板焊接改為現(xiàn)澆連接,避免接頭銹蝕,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體性。

   (10)橫梁施工及與拱肋連接:橫梁由預(yù)制構(gòu)件改為現(xiàn)澆構(gòu)件,與拱肋連接由型鋼焊接改為預(yù)埋鋼筋現(xiàn)澆混凝土連接。

   各桿件的設(shè)計(jì)內(nèi)力采用平面桿系程序進(jìn)行靜力

   計(jì)算,按照極限狀態(tài)法進(jìn)行鋼筋混凝土截面配筋,由于該橋?qū)捒绫容^小,采用彈性支撐連續(xù)梁法計(jì)算橫向分布系數(shù)],經(jīng)計(jì)算各截面承載能力均滿足規(guī)范要求。

   4.3地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用

   下部結(jié)構(gòu)采用重力式U型橋臺(tái),基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土頂板(承臺(tái))、井筒式地下連續(xù)墻基礎(chǔ),頂板厚2.5m。地下連續(xù)墻基礎(chǔ)平面外輪廓尺寸7m×7m,墻厚0.8m,深18m,地下連續(xù)墻分I型槽段和Ⅱ型槽段,槽段問(wèn)采用剛性接頭。

   地下連續(xù)墻基礎(chǔ)整體分析按剛性基礎(chǔ)計(jì)算,對(duì)地基豎向及水平向應(yīng)力、地基承載能力、基礎(chǔ)變形等均進(jìn)行了驗(yàn)算;墻體內(nèi)力依據(jù)應(yīng)變等效原則,將其4塊墻體離散為格柵單元,采用有限元方法計(jì)算,根據(jù)內(nèi)力對(duì)墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算,結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

   5、結(jié)語(yǔ)

   早期修復(fù)的剛架拱橋出現(xiàn)了諸多病害,對(duì)病害的成因進(jìn)行分析可為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考,在參考定型設(shè)計(jì)圖設(shè)計(jì)剛架拱橋時(shí),應(yīng)對(duì)其截面尺寸和構(gòu)造等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),保證結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。地下連續(xù)墻基礎(chǔ)具有承載力高、剛度大、工程量小和施工難度低的特點(diǎn),在黃土地區(qū)建設(shè)剛架拱橋可采用該基礎(chǔ)。本文在對(duì)剛架拱橋病害分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)了主跨50m的剛架拱橋,并根據(jù)其所處黃土地區(qū)的特點(diǎn)成功采用了地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。該橋已通車3年,后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,其上、下部結(jié)構(gòu)均運(yùn)營(yíng)狀況良好,未出現(xiàn)病害。
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