改進型剛架拱橋

文/蔡國宏

剛架拱橋是我國自主創新的橋型，已逐漸成為中等跨徑公路拱式橋樑的常用橋型。但早期設計的剛架拱橋，荷載標準偏低，耐久性考慮不足，在快速增長的重載交通面前出現不少病害。對此相關研究人員做了大量的科學研究，提出很多改進措施，並設計建造了一批改進型的剛架拱橋。作為剛架拱橋原創的研究人員，筆者對其進行了歸納與研究，提出了一些改進設計建議。

從橋樑病害看定型設計圖的不足

剛架拱橋的主要病害有：橋面及肋腋板開裂，甚至穿孔；橫系梁豎向開裂，甚至脫落；實腹段下緣豎向裂縫；內外弦桿特別是外弦桿豎向裂縫；主節點、次節點結合部裂縫；主拱腿拱腳和斜撐下端裂縫。

病害的產生有主客觀原因。交通量和超重車迅猛增加，無疑是客觀原因。但定型設計圖本身也有不足，是主觀原因。

定型設計圖的主要不足：

1.採用30年前的設計荷載標準，已不能滿足現行設計荷載標準要求，更不能適應超載車輛重荷。

2.桿件內力採用平面桿系有限元作計算，空間作用採用單一的彈性支承連續梁法橫向分布係數作近似考慮，不僅拱片內力存在一定誤差，而且未對橋面系和橫系梁作空間內力計算。

3.橋面系和橫系梁截面尺寸偏小，配筋偏少，與拱片的聯結不夠牢固。

4.大小節頭未作局部應力計算，並據以配筋，偏薄弱。

5.對疲勞和耐久性問題考慮不足。

剛架拱橋承載能力翻兩番的啟示

眾多剛架拱橋出現病害，有的因病害嚴重而進行加固，這不得不令人思考：剛架拱橋這種橋型能否適應重載交通的需要？

兩座跨徑60m剛架拱橋經簡易加固後將承載能力提高3倍多，順利通過433噸（4252KN）大件運輸車的實踐，使我們對這種橋型的改進發展充滿信心。

廣西百色澄碧河大橋和永樂大橋都是跨徑60m剛架拱橋，原設計荷載為汽—20,掛—100，於1994年建成通車。1999年因天生橋水電站建設需運送特大構件，牽引車和拖車全長36.53m，總重高達433噸，需通過這兩座橋，故需通過加固，使其承載能力在原設計基礎上翻兩番多。

加固前檢測發現，橋樑跨中、橫系梁和微彎板都有裂縫，縫寬一般都超過0.2mm，個別最大裂縫寬0.59mm，屬於病害橋樑。

通過對橋樑進行強度和剛度校檢，按特大構件荷載的計算內力確定缺筋量，進行加固設計。抗正彎矩採用粘貼鋼板補強加固，抗負參矩採用加大斷面法和配筋加固，在橋面增加250px厚的混凝土。加固後特大構件通過前，進行了荷載試驗，分4級載入，最後一級為433噸。荷載試驗成功後，7個特大構件逐一順利通過。

儘管外粘鋼板的耐久性可能有所不足，但由此項4倍於原設計荷載的超重車成功過橋的實踐得到啟示：如果新橋設計把主要構件的配筋量，按加固鋼板量換算並配置充

足，並將橋面系、橫系梁和大小節點予以加強，剛架拱橋這種橋型是能夠抵抗超重車負荷的。

剛架拱橋空間結構分析研究

30年前的「定型設計圖」，限於當時條件，採用平面桿系有限元法加上活載橫向分布係數，將空間結構作簡化計算，橫向分布係數採用彈性支承連續梁簡化法計算。肋腋板則應用等剛度原則，將板換算成變截面雙向板，用SAP空間板單元程序計算內力。考慮板的支承狀態可能發生變化，而將計算結果乘以應力增大係數。對橫系梁內力狀態缺少了解，而按經驗作設計。

東南大學、浙江大學和山東科技大學等對剛架拱橋的空間結構進行了深入研究，採用空間有限元建立空間結構分析模型，對全橋空間結構包括橫系梁進行計算分析，得出以下認識：

1.剛架拱橋橫系梁內力計算和設計直接關係到結構的整體受力和安全，橫系梁是影響全橋承載力的重要因素，在設計施工中應高度重視。如果橫系梁剛度小，數量少，配筋不足，施工中處理不當，都可能出現嚴重開裂甚至斷裂。橫系梁的病害，一方面會降低全橋結構整體性，使單片拱肋受力增大；另一方面會削弱肋腋板或微彎板的橫向約束，使其受力狀態變差。

2.彈性支承連續梁法所得橫向分布係數，雖能大體分配各拱片所承擔的活載，但因未考慮橫系梁的尺寸、數量和分布狀況，以及橋樑跨徑大小的影響，也未考慮活載作用下不同部位橫向分布的差異，因而存在明顯的局限性。按空間整體建模方法對25m、35m、45m、60m四種跨徑的橫向分布係數及其沿縱向變化規律作分析，結果表明，彈性支承連續梁法所得橫向分布係數在跨中偏小，跨徑越小，誤差越大。而當將拱片間距按0.8倍減小後，二者接近。

陝西通宇公路研究所選擇凈跨30m剛架拱橋定型設計圖為研究對象，根據現行橋樑規範，按公路—1級標準汽車荷載和新溫度梯度曲線，採用大型結構分析有限元通用程序，對各主要控制截面進行了極限狀態複核驗算。

驗算結果表明，使用階段中實腹段裂縫寬度超限且承載力儲備不足；大節點負彎矩較大，設計中應考慮通長鋼筋布置；溫度變化引起的結構內力雖然都不大，但在拱頂和拱腳稍大，而且往往是同號疊加，設計中應予考慮。

優化設計和提高承載力研究

長安大學在分析研究剛架拱橋常見病害基礎上，從設計參數優化入手，以一座9孔跨徑30m改進型剛架拱橋設計為依託，對剛架拱橋的改進措施和極限承載力進行了研究，取得如下認識：

1.在改進設計方面

①增大拱片尺寸，減小拱片中距，以提高結構剛度。

②加強各拱片之間橫向聯繫，適當加大橫系梁截面，減小其布置間距，採用現澆施工的連接措施。

③改進節點連接方式，採用現澆濕接頭以提高整體性。

④橋面系改用帶承托的單向支承橋面板，板的跨中厚375px，端部厚625px，並在板上鋪設250px厚瀝青混凝土，以減少衝擊振動作用。

⑤對主要受力構件依據空間結構分析計算結果，按現行橋樑規範作配筋設計，適當增加截面縱向鋼筋及箍筋配筋率。

2.在提高承載力研究方面

以有限元方法的空間穩定理論、非線性理論及統一理論下的單材料本構關係為基礎，建立改進後依託工程及原定型設計圖的有限元模型，然後分別針對單跨整橋和單跨邊拱片，分析了第一類穩定問題。並以第一類穩定求解法作為上限，採用雙重非線性方法，進行極限承載力分析研究。得出：

①不同載入狀況下，單跨整橋改進設計的第一類穩定特徵值，比定型設計平均大63.4%。

②考慮雙重非線性時，改進設計的極限承載力比定型設計提高16.99%；若同為跨中偏載載入時，改進設計的極限承載力，比定型設計提高62.29%。

③橋樑極限破壞時，改進設計的跨中撓度遠小於定型設計值。

研究結論：剛架拱橋經改進設計後，其極限承載力顯著提高。

節點的研究與改進

遼寧省某公司和設計院運用Algor有限元空間分析軟體，對一座跨徑50m剛架拱橋的大節點作計算分析，得知大節點主拉應力恆載時為1.1MPa,恆載+升溫20℃為1.6MPa,恆載+升溫20℃+汽-20（按大節點最不利載入）為2.2MPa,超過了C30混凝土抗拉設計強度2.01MPa。

山東某大學利用有限元軟體ANSYS對剛架拱橋單片拱片的大節點作分析，以跨徑35m剛架拱橋為例，建立了最不利拱片的整體分析模型，並引入橫向分布係數分析單片拱片受力情況，粗略劃分網格建立模型，同時取大節點部位3m區段，進行局部劃分精細網格。由計算得知：大節點主拉應力自重時為1.1MPa，自重+二期恆載為1.35MPa,自重+二期恆載+活載為8.65MPa(優化設計前)和6.92MPa（優化設計將拱片由5片加至6片後），均遠超過C30混凝土抗拉設計強度2.01MPa。

該項研究還提出了在節點內置異型鋼板加強節點的技術措施，經計算在內置3塊鋼板後，自重+二期恆載+活載主拉應力降低為5.35Mpa。

某工程技術公司在兩座跨徑百米以上的甘肅太樂1號和2號大橋設計中，針對小節點截面上緣由於負彎矩在橋面混凝土面層中產生的拉應力，採取了釋放該截面恆載彎矩，增加橋面面層內配筋的措施。具體做法是：在澆築橋面鋪裝層混凝土時，將小節點左右共約15m長度範圍內預留200px厚度混凝土暫不澆築，待全橋其餘恆載基本完成後，再在該段缺口內布設Φ12-Φ16mm、間距125px的縱向受力鋼筋。此鋼筋內恆載應力幾乎為零，活載應力按計算控制在30MPa左右，從而可避免上緣混凝土開裂。對拱腳截面負彎矩也按此思路處理。實踐表明這種做法有效。

改進設計工程實例

廣東龍川東江大橋新橋 主橋為4孔跨徑75m改進型剛架拱橋，矢跨比1/9，橋寬10.25M。設計荷載為公路-1級。下游側為一座相同跨徑布置的剛架拱橋，參照1984年定型圖設計，已不適應新的公路荷載標準。

新橋與舊橋相比，作了以下重大改進:

全橋橫向由3片寬1500px的拱片組成，3片拱片底面由250px厚鋼筋混凝土板整體相連，在實腹段形成箱形截面，在主拱腿形成凹形截面。拱片間設橫隔板，與拱肋一次澆築成整體結構。

在斜腿之間設直徑1500px圓形截面的系桿。

橋面板改為橫向帶承托的整體鋼筋混凝土板，橫向板的跨中厚375px，承托處厚1000px,橋面鋪裝層厚8～500px，橫坡1.5%。

以上改進增強了剛架拱橋的整體性並提高了整體剛度。在此基礎上，按新橋規公路一I級荷截標準，對全橋進行了詳細的結構計算，適當增加全橋配筋數量，從而提高了全橋的強度。

該橋於2009年4月建成通車，至今運行狀態良好。

山東兗州泗河大橋 主橋為9孔跨徑30m改進型剛架拱橋，橋寬13m。設計荷載為公路一I級。

主要改進措施為:

1.提高橋樑剛度:減小拱片中距，增大拱片結構尺寸。

2.增強橋樑整體性：加大橫系梁截面尺寸，減小橫系梁布置間距，橫系梁與拱助的連接和大節點均採用現澆混凝土接頭。

3.增大橋樑強度：採用空間有限元程序計算結構內力，並按新橋規進行配筋。適當增加截面縱向配筋率，同時適當增加主拱腿等構件的箍筋配筋率。

4.橋面系採用單向支承鋼筋混凝土橋面板，其上鋪設250px厚瀝青混凝土橋面，以減輕振動衝擊。該橋於2008年3月建成通車，至今狀態良好。

山西運城國道209線河津-臨猗段跨線橋 該橋為跨徑50m的改進型剛架拱橋，矢跨比1/8，橋寬7m。設計荷載為公路-Ⅱ級。橋台採用地下連續牆基礎。

主要改進措施為：

採用空間分析法計算拱片橫向分布係數，強化拱片配筋。

加大橫系梁截面尺寸，改變橫系梁與拱肋的連接方式，提高結構整體剛度和整體性。

加大拱肋截面尺寸，提高其豎向和橫向抗彎剛度。

將拱頂鋼板接頭和大節點鋼板接頭改為現澆接頭，杜絕鋼板接頭鏽蝕問題，並提高結構整體性。

優化小節點現澆接頭長度，保證預製構件聯結牢固。

增加微彎板厚度，並根據橫向載入計算進行配筋。

優化橋台基礎結構方案，防止基礎產生有害水平位移。

加強施工過程質量控制。

該橋於2006年6月建成通車，至今狀態良好。

甘肅慶陽驛馬鎮太樂1號和2號橋 太樂1號橋和2號橋分別為單孔凈跨115m和125m大跨度改進型剛架拱橋，矢跨比1/6，橋寬24m。

主要改進措施為：

拱肋採用抗彎抗扭剛度大的單箱三室截面。

上部結構全部是在勁性骨架上現澆的鋼筋混凝土整體結構，整體性能良好。

橋樑分為上、下游兩幅橋，按轉體施工工藝修建，施工質量和安全得到保證。

針對小節點和拱腳截面負彎矩在結構上緣產生拉應力，採取釋放該截面恆載負彎矩，增加橋面層配筋等措施。

選擇能確保拱腳不發生有害位移的下部構造。

2004年3月對大橋進行的動靜載試驗表明，橋樑剛度、強度均滿足設計要求。

改進設計建議

1.剛架拱橋設計理念，應以增強結構整體性，提高承載能力和耐久性為前提。考慮到交通量的發展和超載運輸的現實，應適當提高安全儲備，確保剛架拱橋適應現代公路交通需要。

2.剛架拱橋設計的結構計算，應採用空間有限元程序，對於應力複雜的節點部位，還應採取精細網格的局部應力分析，提高計算精度，正確選擇截面尺寸和配筋。

3 .參照30年前定型設計圖設計的剛架拱橋，按現行橋樑規範和交通現實衡量，設計荷載偏低，強度和剛度不足。新橋設計，應適當加大截面尺寸，並酌情加密拱片，提高配筋率。跨徑較大時，可採用箱形截面。

4.橋面系不應再採用少筋混凝土結構，而應採用與拱片整體聯結的鋼筋混凝土板式結構，按最不利荷載內力配置足夠鋼筋。

5.橫系梁的剛度、強度，及其與拱片連接的牢固程度，對全橋整體性有重大影響，應按空間有限元程序算得的內力作橫系梁設計和配筋。橫系梁與拱片的連接不應採用鋼板焊接接頭，而應採用鋼筋相互焊牢的現澆混凝土接頭。對橫系梁施加預應力有利於提高結構整體性。

6.重視提高剛架拱橋抗疲勞性能和耐久性能。

7.剛架拱橋屬於有推力的超靜定拱式體系，拱座位移對其受力十分不利。設計中應確保橋台的穩定性。多孔拱橋應作連拱設計計算，並設置穩定的單向推力墩。不提倡在軟土地基修建拱橋。

8.鋼管混凝土結構的抗壓和抗彎性能良好，適用於拱式結構，當然也適於剛架拱橋。拱片構件和橫系梁可採用鋼管混凝土，橋面體系可採用鋼-鋼筋混凝土組合結構。施工時可先裝配好鋼結構部分，連接牢固後，按一定程序配置鋼筋並灌注混凝土。

可以期待，鋼管混凝土剛架拱橋，將有可能成為整體性能更好、承載能力更高、施工更簡便的新一代剛架拱橋。

（作者單位：交通運輸部科學研究院)