連續梁拱組合橋梁設計關鍵技術對策研究

郭俊

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

連續梁拱組合結構形式對地基和使用材料的要求較高，對此，工程設計人員在具體設計連續梁拱組合結構形式之前需要把握連續梁拱組合橋梁的發展歷程、變化軌跡、技術體系，然后深入分析其結構形式的特點、基本原理、操作要求。當前連續梁拱組合結構形式已被應用到我國多個地區的路橋工程中，為了確保工程質量符合要求，需要科學分析連續梁拱組合結構形式的特點，制定可靠的技術應用對策。

1 工程概述

本文以某城市軌道交通路橋工程為例，該橋梁通過預應力混凝土連續梁和鋼管拱的組合形成了一種復合型的結構形式。該橋梁工程跨度大，主梁兩側的主縱梁和拱肋構成一種孔和拱為一體的預應力混凝土連續梁。其中的拱肋結構是一種圓形的鋼管混凝土結構形式，采用高強度鋼絲將拱肋和繩索、吊桿捆綁在一起，與主梁進行搭接；其中的橋面板和主縱梁側面翼板、縱梁頂面也是預應力混凝土連續梁的關鍵節點，通過搭接制作成為正交異性板，拱腳起著非常重要的支撐作用。橋梁主體結構在支架上進行施工操作，利用邊孔進行腳手架搭設滿布支架作為支撐平臺，并利用其他梁體作為支撐點，在完成主梁和橋面板拱的施工后，拆除支架進行橋面的施工（見圖1）。

圖1 橋梁結構

2 剛梁剛拱縱橫梁體系的整體橋面受拉對策研究

2.1 關鍵技術

第一，組合結構受力狀態。對于主縱梁、拱及4 個橋墩在具體施工時需要確保其處于一定的受力狀態，橫梁需要制作成為一種落架形式，主縱梁需要分段澆筑，在預應力張拉完成后，通過加工和吊桿施工將4個橋墩的橫梁組裝成為平面框架。對于邊孔處的橋面，也需要及時完成，并拆除主梁下的支撐桿，此時主要的受力結構是主縱梁拱。在主縱梁和橋面制作完成后明確全橋主體結構，采用混凝土分層澆筑多個帶孔的小橫梁，在該工序完成后才可以開始小縱梁和橋面的施工，此時整個橋梁是主受力結構，需要對橫截面和活載的受力狀態進行調整，依次完成臺面、防水層、隔音屏等附屬結構的施工，但是這些構件不處于受力狀態，不能和主梁共同分擔荷載。

第二，剛梁剛拱縱橫梁體系的整體橋面受到的拉應力。一般情況下，因為連續澆筑，在主縱梁之間的橋面處會產生收縮應力；如果拱腳較大，也會產生推力，這種推力持續出現，會在橋面上形成一定的拉應力；且在中間支撐點處的彎矩內也會形成橋面拉應力。在以上拉應力的共同作用下，橋面會出現開裂現象，對此需要根據具體問題采取一定的應對措施。

2.2 對策研究

第一，橋面裂痕的解決對策。一是在橋面的澆筑過程中可以使用微膨脹混凝土，依靠膨脹劑的作用彌補混凝土的收縮，促使橋面內部產生預應力。二是在后期的施工中，為了提高混凝土本身的抗壓應力，可以在混凝土中加入一定量的纖維素和聚合物等材料，避免應力集中導致的混凝土裂縫。三是可以對橋面施加預壓應力，有效降低混凝土的拉應力，減少裂縫出現的概率或者縮減裂縫的寬度。四是可以采用預先壓重的方法，消除橋面混凝土內部的預應力，通過計算分析，在標準范圍內依次均勻布置荷載，有效抵消恒載和活載作用下橋面混凝土產生的拉應力[1]。

第二，科學分析不同方法的優缺點。對于以上不同的方法，也需要綜合分析其優缺點。根據橋梁工程結構的特點，第一種方法考慮到在橋面混凝土澆筑的過程中會產生混凝土收縮現象，因此施加橫向收縮應力，該方法效果較好，但是縱向收縮應力不強。第二種方法可以抵抗縱向拉應力，有效避免混凝土裂縫，但是該方法經濟性不強。第三種方法可以對主縱橫梁施加應力，以此穩定橋面，減少裂縫出現的概率。第四種方法主要應用在恒載和活載的狀態下，有效抵消拉應力，該方法效果最佳，但是需要使用較大噸位的壓重機械。

第三，采用一定的設計方法。在具體設計前可以根據實際情況采用不同的方法，對于后期澆筑的橫梁、小縱梁、橋面板內部的混凝土需要使用微膨脹混凝土，然后根據一定的配比要求選擇收縮類型的材料。且可以在具體設計時在小縱梁和橋面板之間的孔節處施加預應力，然后將預應力均勻布置在小縱梁處，或者直接在中孔內施加重力。在現有剛梁剛拱結構設計中，可以采用縱橫梁體系的整體橋面組合結構形式，對于其中的不足也可以在后期修補解決。該方法非?？煽?，可以提高橋梁的整體剛度、受力度，降低結構高度，是一種當前非常有效的控制線路高度的大跨度空間結構形式。

3 拱腳的受力狀態和構造設計

路橋工程的主體結構是預應力混凝土連續梁和鋼管拱肋連接而成的一種復合結構體，在底端還有拱腳，拱腳是該結構的核心支撐點，發揮著關鍵的作用，考慮到該結構中的主縱梁剛度較大，需要承受軸力和彎矩，因此拱腳和梁體的連接處也會受力，且受力狀態復雜多變。

3.1 關鍵技術

拱腳的材料是鋼筋混凝土，為了更好地分析該結構的受力狀態和預應力大小，需要采用性能分析的方法把握拱肋和主縱梁之間的傳力機理，并采用彈性理論分析方法定量預測出拱腳在不同條件下的應力狀態。然后，根據預應力特點設計鋼筋布置圖，制訂施工方案，確保鋼筋混凝土拱腳使用安全、可靠、穩定，在此基礎上需要充分發揮拱腳技術的優勢[2]。

3.2 對策研究

第一，采用結構分析軟件對拱腳部位進行三維空間分析，具體步驟如下：先需要構建模型，通過可視化的模型分析橋面中雙主梁和縱橫梁的結構特點和連接關系，其拱肋是一種鋼管混凝土結構，拱腳是一種鋼筋混凝土和梁的連接結構。為了更好地分析這些結構的預應力狀態和大小，需要采用模型理論進行測試，結合雙主梁結構受力的特點創建空間模型，以某一處拱肋或拱腳作為主要的對象，計算兩側主縱梁之間的橫梁作用；還需要在一定依據和標準下在拱腳連接結構處創建新模型，根據模型更加精準地控制中支墩左側梁段、右側梁段、拱肋的長度。

第二，對于拱腳處梁高、梁底寬、梁體高、拱肋端截面高度和寬度也都需要加強控制，最終確保整個拱軸線呈一種二次拋物線形式。根據右手法則沿著橋縱向位置繪制坐標系，并進行單元劃分，然后采用一種節點非協調三維實體單元對模型進行分類，將其劃分成為多個單元、節點、自由度，并精準控制單元的邊長。對于其邊界條件也需要科學控制，在具體選擇支座時需要事先擬定受力不穩定狀態下的情況，在此過程中需要對高梁段底面的節點自由度進行調整，檢測受力不佳狀態下的變形情況。對于梁體兩側和拱肋端界面可以直接作為加載截面處理，并確保整體自由度處于放松狀態下，根據靜力等效的原則，利用整體模型計算方法直接得出各個截面的內力素，再采用換算方法處理后也可以得出節點力，最終對吊桿內力節點進行科學處理[3]。

另外，在具體加載不同的截面時也需要注意其工況，明確截面的預應力，采用結構分析軟件內的彩色等值線圖和節點平均應力數值進行計算、分析，發現拱肋內應力分布非常均勻，且在拱腳內側圓弧和支座處的壓應力數值也非常大。拱腳內圓弧和梁體表面的連接處也會出現不同的拉應力，但是其分布范圍較小，拉應力數值較大，在梁體和拱肋處沒有拉應力，因此整個拉應力數值處于標準范圍內[4]。且在和橋軸方向相平衡的拱腳平面內，主壓力跡線會和拱軸線保持平行，并沿著拱肋向著支座的方向延伸。對于主拉應力跡線也會均勻分布在支座四周和拱腳內側圓弧附近，呈弧線形，并和主壓應力跡線相垂直，準確把握拱腳主應力需要科學繪制等值線圖。

第三，構造措施?？紤]到拱肋和主縱梁之間的連接處剛度不穩定，容易出現應力集中的情況，對此在具體設計拱腳時需要將拱腳內側和外側設置成為一種圓弧形狀，作為過渡段，避免剛度過大，通過計算結果分析，這種設計是非常合理、可靠的。對于拱肋水平處的推力也會沿著主縱梁的上端向梁部轉變，促使水平方向的推力以此傳遞到整個梁體中，在此過程中需要加強重視，避免在梁的上端拉應力過度集中?？梢詫⒐袄叩闹麂摻钛刂拜S線延伸到拱軸線和主縱梁軸線相互連接的節點處，此外，也可以在拱腳和梁體相連接處設置縱橫向鋼筋網，以此提高梁體的整體性能。對于拱腳內部的圓弧也可以沿著主鋼筋外側的拉應力方向在圓弧和拱肋的表面端設置垂直預應力，在圓弧內部設置沿著弧形分布的鋼筋，與其他鋼筋焊接成為一個整體。在拱腳處如果分布有較大體積的混凝土，在具體澆筑時會因為內部鋼筋數量較大、分布較廣而增加難度，影響后期施工，對此需要適當增加拱腳內部面層防裂鋼筋的直徑，并加大鋼筋間距，為后期施工奠定基礎。以此保障混凝土的澆筑質量。

3.3 研究結論

通過對鋼筋局部的應力進行分析發現，現有拱腳的處理方案是非?？煽康?，在應力分析下可以有效把握復雜拱腳結構的受力狀態，并明確其薄弱點，以此科學地進行處理，制定可靠的處理對策。

4 鋼管拱灌注混凝土整體和局部應力狀態對策研究

4.1 施工工序

鋼管拱結構的施工工序為：在工廠預制鋼管拱管節—在橋面支架上拼裝成鋼管拱—拆除鋼管拱的支架—進行鋼管拱內部混凝土灌注。在鋼管拱灌注混凝土過程中，需要處理好局部和整體之間的關系[5]。

4.2 對策分析

第一，采用分析軟件在把握結構特點的基礎上對鋼管拱灌注混凝土施工的全過程進行自動監測，根據監測數據信息進行計算，結果發現，在灌注施工的過程中，因為鋼管拱剛度沒有達到設計標準，出現了移動的現象，且移動呈應變非線性特性。由此可以進一步得出鋼管拱灌注混凝土受力狀態復雜，此時可以根據線性彈性原理進行分析、處理，但是這種方法會產生誤差，為了提高處理的精準度，還需要監測具體的變形程度，分析原因和對策，及時控制，確保該結構體的安全、穩固，并為后期施工提供依據。且在具體分析鋼管拱灌注混凝土時也需要利用非線性有限元程序，采用多鋼管拱進行空間梁單元模擬。并在模擬灌注混凝土的過程中適當地在鋼管拱單元上施加荷載，確保荷載集中在鋼管拱內灌注的混凝土上。

第二，鋼管拱灌注混凝土施工方案的設計。設計多個方案，不同的方案采用不同的混凝土灌注工藝和流程。然后進行計算分析，在具體計算時可以采用一定的結構分析軟件計算鋼管拱主截面應力，在此基礎上科學選擇施工方案，確保方案能滿足實際施工要求。

第三，精度檢驗。如果出現偏差需要對計算結果進行復測，判斷其精準度，在此過程中需要采用相關軟件結合線性彈性理論、非線性彈性理論對計算、測試結果進行對比和分析，以此檢驗其精準度。

4.3 研究結論

對超限應力進行分析，結果發現控制數值小于計算的應力；采用結構分析軟件計算的結果符合實際測試的結果；采用其他程序計算的結果是應力較為均衡，變化較小，數值較小[6]。

5 柔性支撐預應力混凝土梁的模擬方法

為了提高柔性梁支撐力度，確保連續梁拱組合橋梁結構的安全和穩定，需要采用不同的模擬方法，具體包括虛擬模擬和柔性支撐模擬兩種。虛擬模擬是將柔性梁和混凝土梁采用虛擬桿件模擬方法進行計算，如果此時受壓均衡，則表明兩者連接穩固。柔性支撐模擬方法可以優化計算流程，主要對單向受力桿和雙向受力桿進行計算。

6 結語

連續梁拱組合橋梁結構比較復雜，其復雜性體現在設計、施工、使用、維護的各個環節，對此需要對每個環節的操作加強重視，根據具體要求和標準采用科學的技術進行處理。另外，還需要把握具體的結構特點和施工要求，充分發揮該結構的優勢和作用，更好地為后續橋梁工程的施工建設提供支撐。