某客運(yùn)專線連續(xù)梁-拱組合橋拱座后澆筑應(yīng)力分析及加強(qiáng)措施

齊 林

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

1 工程概況

客運(yùn)專線鐵路跨越淮南鐵路夾角僅13°，主橋采用(76+160+76)m連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。線路設(shè)計(jì)最高行車速度350km/h，橋面鋪設(shè)CRTS-Ⅱ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。因拱肋采用“異橋位拼裝、縱移就位”施工方法，拱座混凝土需待連續(xù)梁全聯(lián)合龍、拱肋就位后方可澆筑，與連續(xù)梁0號(hào)塊混凝土的齡期差近7.5個(gè)月。

圖1 主橋總布置(單位：cm)

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

主梁采用單箱雙室截面，變高度、直腹板。跨中及邊支點(diǎn)處梁高5.0m，中支點(diǎn)處梁高8.5m。箱頂寬13.3m、底寬10.2m，中、邊支點(diǎn)截面底寬局部加寬至16.1，13.6m；主梁采用C55高性能混凝土，設(shè)縱、豎向預(yù)應(yīng)力，吊點(diǎn)橫梁設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。

拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)矢高f=32.0m，矢跨比f(wàn)/L=1/5，拱軸線為二次拋物線。其截面為等高度啞鈴形，高3.0m。橫向兩拱肋中心距12.50m，縱向設(shè)置11道橫撐，17組間距8m雙吊桿。

3 分析研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

拱座是梁拱組合橋的關(guān)鍵部位、受力復(fù)雜，拱座混凝土后澆現(xiàn)狀使得本拱座受力更復(fù)雜，因此有必要對(duì)拱座及拱座與0號(hào)塊界面進(jìn)行全面受力分析研究，并采取切實(shí)可行措施，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1)分析拱座混凝土與連續(xù)梁0號(hào)塊7.5個(gè)月齡期差引起的拱座應(yīng)力分布狀況。

2)分析運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合情況下0號(hào)塊應(yīng)力分布狀況。

3)根據(jù)應(yīng)力分布狀況，提出避免構(gòu)造性裂縫有效處理措施。

4)對(duì)拱座新澆混凝土與連續(xù)梁0號(hào)塊混凝土的結(jié)合面進(jìn)行受力分析，提出確保拱腳推力傳遞的構(gòu)造加強(qiáng)措施。

4 拱腳局部應(yīng)力分析及配筋驗(yàn)算

4.1 模型的建立

采用有限元分析軟件ANSYS中solid 65單元建立空間實(shí)體模型，主拱按等效荷載加載，材料參數(shù)按設(shè)計(jì)取值。主梁除0號(hào)的17m節(jié)段外，每側(cè)各取3個(gè)節(jié)段，梁段全長(zhǎng)36m；拱肋取水平投影長(zhǎng)度為10m的一段，建模范圍如圖2所示，空間模型如圖3所示。

圖2 拱腳局部分析范圍(單位：cm)

4.2 分析結(jié)果

4.2.1施工階段拱座混凝土澆筑90d后收縮徐變拱腳應(yīng)力分布狀況

拱腳混凝土澆筑完成后90d時(shí),主梁0號(hào)混凝土已澆筑10.5個(gè)月，拱腳各方向應(yīng)力及主應(yīng)力云圖如圖4，5所示(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。

圖4 x，y，z方向應(yīng)力云圖

1)x方向應(yīng)力分布 由圖4a可看出，主梁大部分承受壓應(yīng)力，其中兩拱座間主梁承受壓應(yīng)力最大；拉應(yīng)力出現(xiàn)于結(jié)合面主梁以上的拱座混凝土，順橋向拱座底部側(cè)面中間拉應(yīng)力最大為2.5MPa，并向兩端逐漸減小至1MPa以下；從高度方向，底部拉應(yīng)力最大，向上逐漸減小，距結(jié)合面約4m高，應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)為壓。橫橋向側(cè)面拉應(yīng)力分布規(guī)律與順橋向分布規(guī)律一致。

2)y方向應(yīng)力分布 由圖4b可看出，壓應(yīng)力、拉應(yīng)力值均較小，其中拉應(yīng)力較大值出現(xiàn)在拱座前腳趾部。

3)z方向應(yīng)力分布 由圖4c可看出，應(yīng)力分布規(guī)律與x方向相似，但最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫橋向側(cè)面底部中間，拉應(yīng)力值約2.0MPa。

4)第一主應(yīng)力分布 由圖5可看出，主梁大部分承受壓應(yīng)力，其中兩拱座之間主梁承受壓應(yīng)力最大；拉應(yīng)力出現(xiàn)于結(jié)合面主梁以上的拱座混凝土，順橋向拱座底部為1.0～3.0MPa、橫橋向前腳趾為1.5～3.5MPa、高度方向4m以下范圍。

圖5 拱腳部位第一主應(yīng)力云圖

4.2.2施工階段拱座混凝土澆筑1年后收縮徐變拱腳應(yīng)力分布狀況

拱腳混凝土澆筑完成1年后，x，y，z方向及第一主應(yīng)力分布與90d后的應(yīng)力分布規(guī)律相同，但拉應(yīng)力值增大約15%，沿高度方向從原來(lái)的4m增加到4.5m。

1)運(yùn)營(yíng)階段拱腳局部分析。

2)計(jì)算工況 根據(jù)全橋空間桿系模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)以下3 個(gè)運(yùn)營(yíng)階段荷載的控制工況進(jìn)行分析：①工況1 拱座最大軸力作用狀態(tài)(恒載+活載+徐變+溫度)；②工況2 拱座最大彎矩狀態(tài)作用狀態(tài)(恒載+活載+徐變+溫度)；③工況3 拱座最小彎矩作用狀態(tài)(恒載+活載+徐變+溫度)。荷載工況如表1所示。

表1 各計(jì)算工況荷載邊界條件

3)拱座最大軸力時(shí)拱腳分析結(jié)果 其結(jié)果如圖6，7所示(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。

圖6 x，y，z方向應(yīng)力云圖

x方向應(yīng)力分布如圖6a所示，拱座及主梁大部分區(qū)域處于壓應(yīng)力狀態(tài)；拉應(yīng)力范圍出現(xiàn)在拱腳的前腳趾、后部及與拱肋相交部位，其中前腳趾最大約3.0MPa、后部值較小。拱肋與拱座相交部位的截面突變及集中力較大，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。

y方向應(yīng)力分布如圖6b所示，從整體上看主梁應(yīng)力均較小，拱腳應(yīng)力較大，較大值出現(xiàn)的部位位于拱肋與拱腳結(jié)合處的側(cè)面上緣。

z方向應(yīng)力分布如圖6c所示，從整體上看主梁應(yīng)力較大，拱腳應(yīng)力較小。較大拉應(yīng)力處于兩拱腳之間的主梁頂面，以及拱肋與拱腳結(jié)合處的側(cè)面上緣，最大達(dá)2.6MPa。

第一主應(yīng)力云圖如圖7所示?？煽闯?，拱腳拉應(yīng)力較大值出現(xiàn)在拱座與拱肋結(jié)合處的側(cè)面。該處受拱肋強(qiáng)大的集中力作用，混凝土受壓而有往外張開(kāi)趨勢(shì)，局部應(yīng)力較大。從結(jié)合面往后，拉應(yīng)力減小并很快變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖7 第一主應(yīng)力云圖(-3～3MPa)

拱腳主應(yīng)力跡線如圖8所示?？梢钥闯龉澳_以受壓為主,說(shuō)明設(shè)計(jì)是合理。大部分主應(yīng)力跡線方向?yàn)檠毓袄咻S線方向，它構(gòu)成了拱腳結(jié)點(diǎn)受力的最主要特征。

圖8 拱腳主應(yīng)力跡線

4)拱座承受最大彎矩時(shí)拱腳分析結(jié)果x方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳的前腳趾處約2.4MPa，其余拉應(yīng)力較小。其他方向應(yīng)力分布規(guī)律與3)相似。

5)拱座承受最小彎矩時(shí)拱腳分析結(jié)果x方向拱腳與主梁0號(hào)塊部分范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值大部分<1.5MPa。拱腳的前腳趾、拱腳的背面拉應(yīng)力1.5～2.0MPa，其余處于受壓狀態(tài)。其他方向應(yīng)力分布規(guī)律與3)相似。

6)主要計(jì)算結(jié)果匯總 3工況下考慮拱腳鋼筋時(shí)拱腳混凝土承受的最大主拉應(yīng)力及裂縫寬度結(jié)構(gòu)如表2所示，均滿足規(guī)范要求。

表2 拱腳混凝土主拉應(yīng)力最大值及裂縫寬度

7)拱座配筋 原拱座鋼筋布置如圖9所示，鋼筋的布置與拱座的主應(yīng)力線基本垂直，并根據(jù)應(yīng)力值大小，有如G8鋼筋多層布置，在拱座與拱肋相交部位及后面的一段范圍內(nèi)，分布有多層承壓鋼筋，同時(shí)，由6)計(jì)算結(jié)果分析，本鋼筋布置在不考慮拱座混凝土后澆7.5個(gè)月時(shí)間的因素下安全合理。但本工程存在7.5個(gè)月的齡期差，因此，拱座鋼筋布置另需考慮該因素。

圖9 原拱座鋼筋布置

8)拱座加強(qiáng)配筋 以上分析計(jì)算結(jié)果表明，由于拱座混凝土與主梁0號(hào)塊混凝土存在齡期差，0號(hào)塊混凝土收縮已基本完成，新澆筑的拱座混凝土收縮受到主梁約束而引起拉應(yīng)力，拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱座與主梁結(jié)合處的拱腳部分，從底部向上、從中間向兩邊逐漸減小，最大值達(dá)3.5MPa，需在拱腳配置增強(qiáng)鋼筋。

拱座局部的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)視為非桿件體系，參照DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的線彈性應(yīng)力圖形配筋計(jì)算。

驗(yàn)算時(shí)，選取最不利工況組合，并在拱座側(cè)面順橋向及豎向選取剖切面，進(jìn)行應(yīng)力積分，如圖10所示。根據(jù)計(jì)算，在拱腳離箱梁頂面100cm高度范圍采用φ10@50較密鋼筋網(wǎng)沿拱腳周圍布置，離箱梁頂面100～250cm高度范圍采用φ10@100鋼筋網(wǎng)，如圖11所示?；炷羶舯Ｗo(hù)層厚度為3cm時(shí)，最不利工況下，鋼筋應(yīng)力最大為110MPa以內(nèi)，混凝土裂縫寬度最大0.10mm。

圖10 拱腳部位內(nèi)力積分剖切面

圖11 拱腳部位主筋外層加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)布置

5 拱腳與0號(hào)塊新舊混凝土抗剪承載力分析

九龍崗特大橋(76+160+76)m連續(xù)梁拱組合橋因拱座混凝土與主梁0號(hào)混凝土并非同時(shí)澆筑，兩者存在約7.5個(gè)月的齡期差，不但在拱座產(chǎn)生拉應(yīng)力，同時(shí)還存在兩界面結(jié)合問(wèn)題。為了避免出現(xiàn)“兩層皮”現(xiàn)象，確保拱座在強(qiáng)大的水平推力下不但能受力而且能傳力，是保證橋梁結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

本次按界面抗剪承載力計(jì)算方法，采用界面剪切修正的摩擦抗剪模型，在不考慮其他鋼筋參與抗剪，豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋抗剪作為安全儲(chǔ)備，按無(wú)杠桿臂的純剪則其檢算結(jié)果如下：結(jié)合面最大水平剪力V=27 895kN，全部混凝土參與抗剪時(shí)截面可承受的剪力Vd=35 640kN；如果80%截面參與抗剪則無(wú)須另植筋。

不考慮混凝土參與抗剪，則需要的植筋面積As=0.5m2，相當(dāng)于622根φ32鋼筋。

6 現(xiàn)場(chǎng)處理措施及效果

6.1 拱座抗裂措施

1)拱座橋面以上1m范圍設(shè)置水平抗裂鋼筋 本橋處于半徑為10 000m的平曲線上，由于軌道外側(cè)超高設(shè)置，拱座主筋外側(cè)防裂加強(qiáng)鋼筋如果按圖11加高至2.5m，則拱座可能侵入限界范圍，半跨中-半支點(diǎn)梁高橫截面如圖12所示。根據(jù)計(jì)算應(yīng)力云圖，拉應(yīng)力較大值均出現(xiàn)在拱座與連續(xù)梁0號(hào)塊結(jié)合面，并呈向上、向兩端逐漸減小的規(guī)律，設(shè)置水平鋼筋的高度在梁面以上1m范圍、鋼筋間距分別按5，7.5cm設(shè)置，如圖13，14所示。1m范圍內(nèi)拱座的輪廓尺寸橫向由180cm增加至186cm，縱向由1 200cm增加至1 206cm。

圖12 半跨中-半支點(diǎn)梁高橫截面

圖13 拱腳受力鋼筋外層加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)布置

2)拱座混凝土增加鋼纖維 計(jì)算表明，拱腳以上4.5m范圍均出現(xiàn)不同程度的拉應(yīng)力，1m高范圍解決后，其余通過(guò)改善混凝土配合比完成，采用的配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑∶鋼纖維=380∶625∶1 020∶155∶58∶60∶10.5∶90。

6.2 加強(qiáng)拱座與連續(xù)梁0號(hào)塊混凝土連接措施

利用拱座下連續(xù)梁0號(hào)塊實(shí)體箍筋伸入拱座。拱座配筋如圖9所示，受力鋼筋與構(gòu)造鋼筋密布，同時(shí)連續(xù)梁0號(hào)塊拱座范圍普通鋼筋布置也多且分布縱向預(yù)應(yīng)力索，再加上連續(xù)梁0號(hào)塊高性能混凝土澆筑已7.5個(gè)月，操作空間狹小、施工難度及安全隱患大、工期長(zhǎng)，為此，要達(dá)到與植筋同樣效果且方便施工須另辟蹊徑。根據(jù)該實(shí)體段箍筋布置特點(diǎn)，如圖15所示，可利用箍筋K1b，K2b，K2b′伸入拱座，具體處理為：①將實(shí)體段的箍筋K1b，K2b，K2b′梁頂面的封口端打開(kāi)，將長(zhǎng)段(長(zhǎng)120cm)扳直并伸入拱座，短段仍保持原有水平狀態(tài)，但需另加鋼筋接長(zhǎng)并與長(zhǎng)段交叉焊接；②在1m高拱座范圍內(nèi)，另設(shè)置2層水平鋼筋網(wǎng)，與長(zhǎng)段鋼筋及拱座原有鋼筋綁扎成為整體，如圖14所示；③拱座范圍豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采取二次張拉工藝。

圖14 防裂及結(jié)合面黏結(jié)加強(qiáng)鋼筋布置

圖15 梁-拱結(jié)合部實(shí)體段箍筋布置

6.3 其他措施

1)鋼管拱合龍時(shí)考慮溫度變形影響，高溫合龍，降溫時(shí)達(dá)到推力最小。

2)新老混凝土面鑿毛至新鮮混凝土，并開(kāi)槽。

3)優(yōu)化混凝土配合比，盡量減少水泥用量，加強(qiáng)混凝土振搗及養(yǎng)護(hù)工作。

4)細(xì)化鋼管拱施工組織設(shè)計(jì)和施工工藝，確保工程質(zhì)量。

6.4 處理效果

二期恒載施工后拱座表面無(wú)裂縫，通過(guò)拱座與連續(xù)梁0號(hào)塊界面預(yù)埋的應(yīng)變片測(cè)量反映出兩構(gòu)件變形同步，未發(fā)現(xiàn)相對(duì)位移情況，效果良好。

7 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)梁拱組合橋因掛籃安裝等原因，導(dǎo)致拱座混凝土與連續(xù)梁0號(hào)塊混凝土不能同時(shí)澆筑，往往造成拱腳一定范圍出現(xiàn)裂縫，降低了結(jié)構(gòu)承載力，影響耐久性。本工點(diǎn)情況基本達(dá)到極致，通過(guò)分析提出的解決措施簡(jiǎn)單易行，為類似情況提供了一種行之有效的解決辦法。