某客运专线连续梁-拱组合桥拱座后浇筑应力分析及加强措施

齐 林

(1.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070；2.同济大学桥梁工程系，上海 200092)

1 工程概况

客运专线铁路跨越淮南铁路夹角仅13°，主桥采用(76+160+76)m连续梁拱组合结构，如图1所示。线路设计最高行车速度350km/h，桥面铺设CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道结构。因拱肋采用“异桥位拼装、纵移就位”施工方法，拱座混凝土需待连续梁全联合龙、拱肋就位后方可浇筑，与连续梁0号块混凝土的龄期差近7.5个月。

图1 主桥总布置(单位：cm)

2 主要设计参数

主梁采用单箱双室截面，变高度、直腹板。跨中及边支点处梁高5.0m，中支点处梁高8.5m。箱顶宽13.3m、底宽10.2m，中、边支点截面底宽局部加宽至16.1，13.6m；主梁采用C55高性能混凝土，设纵、竖向预应力，吊点横梁设横向预应力。

拱肋为钢管混凝土结构，设计矢高f=32.0m，矢跨比f/L=1/5，拱轴线为二次抛物线。其截面为等高度哑铃形，高3.0m。横向两拱肋中心距12.50m，纵向设置11道横撑，17组间距8m双吊杆。

3 分析研究内容及技术路线

拱座是梁拱组合桥的关键部位、受力复杂，拱座混凝土后浇现状使得本拱座受力更复杂，因此有必要对拱座及拱座与0号块界面进行全面受力分析研究，并采取切实可行措施，确保桥梁结构安全。

1)分析拱座混凝土与连续梁0号块7.5个月龄期差引起的拱座应力分布状况。

2)分析运营阶段最不利荷载组合情况下0号块应力分布状况。

3)根据应力分布状况，提出避免构造性裂缝有效处理措施。

4)对拱座新浇混凝土与连续梁0号块混凝土的结合面进行受力分析，提出确保拱脚推力传递的构造加强措施。

4 拱脚局部应力分析及配筋验算

4.1 模型的建立

采用有限元分析软件ANSYS中solid 65单元建立空间实体模型，主拱按等效荷载加载，材料参数按设计取值。主梁除0号的17m节段外，每侧各取3个节段，梁段全长36m；拱肋取水平投影长度为10m的一段，建模范围如图2所示，空间模型如图3所示。

图2 拱脚局部分析范围(单位：cm)

4.2 分析结果

4.2.1施工阶段拱座混凝土浇筑90d后收缩徐变拱脚应力分布状况

拱脚混凝土浇筑完成后90d时,主梁0号混凝土已浇筑10.5个月，拱脚各方向应力及主应力云图如图4，5所示(拉应力为正，压应力为负)。

图4 x，y，z方向应力云图

1)x方向应力分布 由图4a可看出，主梁大部分承受压应力，其中两拱座间主梁承受压应力最大；拉应力出现于结合面主梁以上的拱座混凝土，顺桥向拱座底部侧面中间拉应力最大为2.5MPa，并向两端逐渐减小至1MPa以下；从高度方向，底部拉应力最大，向上逐渐减小，距结合面约4m高，应力由拉转为压。横桥向侧面拉应力分布规律与顺桥向分布规律一致。

2)y方向应力分布 由图4b可看出，压应力、拉应力值均较小，其中拉应力较大值出现在拱座前脚趾部。

3)z方向应力分布 由图4c可看出，应力分布规律与x方向相似，但最大拉应力出现在横桥向侧面底部中间，拉应力值约2.0MPa。

4)第一主应力分布 由图5可看出，主梁大部分承受压应力，其中两拱座之间主梁承受压应力最大；拉应力出现于结合面主梁以上的拱座混凝土，顺桥向拱座底部为1.0～3.0MPa、横桥向前脚趾为1.5～3.5MPa、高度方向4m以下范围。

图5 拱脚部位第一主应力云图

4.2.2施工阶段拱座混凝土浇筑1年后收缩徐变拱脚应力分布状况

拱脚混凝土浇筑完成1年后，x，y，z方向及第一主应力分布与90d后的应力分布规律相同，但拉应力值增大约15%，沿高度方向从原来的4m增加到4.5m。

1)运营阶段拱脚局部分析。

2)计算工况 根据全桥空间杆系模型的计算结果，对以下3 个运营阶段荷载的控制工况进行分析：①工况1 拱座最大轴力作用状态(恒载+活载+徐变+温度)；②工况2 拱座最大弯矩状态作用状态(恒载+活载+徐变+温度)；③工况3 拱座最小弯矩作用状态(恒载+活载+徐变+温度)。荷载工况如表1所示。

表1 各计算工况荷载边界条件

3)拱座最大轴力时拱脚分析结果 其结果如图6，7所示(拉应力为正，压应力为负)。

图6 x，y，z方向应力云图

x方向应力分布如图6a所示，拱座及主梁大部分区域处于压应力状态；拉应力范围出现在拱脚的前脚趾、后部及与拱肋相交部位，其中前脚趾最大约3.0MPa、后部值较小。拱肋与拱座相交部位的截面突变及集中力较大，应力状态复杂。

y方向应力分布如图6b所示，从整体上看主梁应力均较小，拱脚应力较大，较大值出现的部位位于拱肋与拱脚结合处的侧面上缘。

z方向应力分布如图6c所示，从整体上看主梁应力较大，拱脚应力较小。较大拉应力处于两拱脚之间的主梁顶面，以及拱肋与拱脚结合处的侧面上缘，最大达2.6MPa。

第一主应力云图如图7所示。可看出，拱脚拉应力较大值出现在拱座与拱肋结合处的侧面。该处受拱肋强大的集中力作用，混凝土受压而有往外张开趋势，局部应力较大。从结合面往后，拉应力减小并很快变为压应力。

图7 第一主应力云图(-3～3MPa)

拱脚主应力迹线如图8所示。可以看出拱脚以受压为主,说明设计是合理。大部分主应力迹线方向为沿拱肋轴线方向，它构成了拱脚结点受力的最主要特征。

图8 拱脚主应力迹线

4)拱座承受最大弯矩时拱脚分析结果x方向最大拉应力出现在拱脚的前脚趾处约2.4MPa，其余拉应力较小。其他方向应力分布规律与3)相似。

5)拱座承受最小弯矩时拱脚分析结果x方向拱脚与主梁0号块部分范围出现拉应力，其值大部分<1.5MPa。拱脚的前脚趾、拱脚的背面拉应力1.5～2.0MPa，其余处于受压状态。其他方向应力分布规律与3)相似。

6)主要计算结果汇总 3工况下考虑拱脚钢筋时拱脚混凝土承受的最大主拉应力及裂缝宽度结构如表2所示，均满足规范要求。

表2 拱脚混凝土主拉应力最大值及裂缝宽度

7)拱座配筋 原拱座钢筋布置如图9所示，钢筋的布置与拱座的主应力线基本垂直，并根据应力值大小，有如G8钢筋多层布置，在拱座与拱肋相交部位及后面的一段范围内，分布有多层承压钢筋，同时，由6)计算结果分析，本钢筋布置在不考虑拱座混凝土后浇7.5个月时间的因素下安全合理。但本工程存在7.5个月的龄期差，因此，拱座钢筋布置另需考虑该因素。

图9 原拱座钢筋布置

8)拱座加强配筋 以上分析计算结果表明，由于拱座混凝土与主梁0号块混凝土存在龄期差，0号块混凝土收缩已基本完成，新浇筑的拱座混凝土收缩受到主梁约束而引起拉应力，拉应力出现在拱座与主梁结合处的拱脚部分，从底部向上、从中间向两边逐渐减小，最大值达3.5MPa，需在拱脚配置增强钢筋。

拱座局部的混凝土结构应视为非杆件体系，参照DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》附录D非杆件体系钢筋混凝土结构的线弹性应力图形配筋计算。

验算时，选取最不利工况组合，并在拱座侧面顺桥向及竖向选取剖切面，进行应力积分，如图10所示。根据计算，在拱脚离箱梁顶面100cm高度范围采用φ10@50较密钢筋网沿拱脚周围布置，离箱梁顶面100～250cm高度范围采用φ10@100钢筋网，如图11所示。混凝土净保护层厚度为3cm时，最不利工况下，钢筋应力最大为110MPa以内，混凝土裂缝宽度最大0.10mm。

图10 拱脚部位内力积分剖切面

图11 拱脚部位主筋外层加强钢筋网布置

5 拱脚与0号块新旧混凝土抗剪承载力分析

九龙岗特大桥(76+160+76)m连续梁拱组合桥因拱座混凝土与主梁0号混凝土并非同时浇筑，两者存在约7.5个月的龄期差，不但在拱座产生拉应力，同时还存在两界面结合问题。为了避免出现“两层皮”现象，确保拱座在强大的水平推力下不但能受力而且能传力，是保证桥梁结构及运营安全的关键节点。

本次按界面抗剪承载力计算方法，采用界面剪切修正的摩擦抗剪模型，在不考虑其他钢筋参与抗剪，竖向预应力钢筋抗剪作为安全储备，按无杠杆臂的纯剪则其检算结果如下：结合面最大水平剪力V=27 895kN，全部混凝土参与抗剪时截面可承受的剪力Vd=35 640kN；如果80%截面参与抗剪则无须另植筋。

不考虑混凝土参与抗剪，则需要的植筋面积As=0.5m2，相当于622根φ32钢筋。

6 现场处理措施及效果

6.1 拱座抗裂措施

1)拱座桥面以上1m范围设置水平抗裂钢筋 本桥处于半径为10 000m的平曲线上，由于轨道外侧超高设置，拱座主筋外侧防裂加强钢筋如果按图11加高至2.5m，则拱座可能侵入限界范围，半跨中-半支点梁高横截面如图12所示。根据计算应力云图，拉应力较大值均出现在拱座与连续梁0号块结合面，并呈向上、向两端逐渐减小的规律，设置水平钢筋的高度在梁面以上1m范围、钢筋间距分别按5，7.5cm设置，如图13，14所示。1m范围内拱座的轮廓尺寸横向由180cm增加至186cm，纵向由1 200cm增加至1 206cm。

图12 半跨中-半支点梁高横截面

图13 拱脚受力钢筋外层加强钢筋网布置

2)拱座混凝土增加钢纤维 计算表明，拱脚以上4.5m范围均出现不同程度的拉应力，1m高范围解决后，其余通过改善混凝土配合比完成，采用的配合比为：水泥∶砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶矿粉∶外加剂∶钢纤维=380∶625∶1 020∶155∶58∶60∶10.5∶90。

6.2 加强拱座与连续梁0号块混凝土连接措施

利用拱座下连续梁0号块实体箍筋伸入拱座。拱座配筋如图9所示，受力钢筋与构造钢筋密布，同时连续梁0号块拱座范围普通钢筋布置也多且分布纵向预应力索，再加上连续梁0号块高性能混凝土浇筑已7.5个月，操作空间狭小、施工难度及安全隐患大、工期长，为此，要达到与植筋同样效果且方便施工须另辟蹊径。根据该实体段箍筋布置特点，如图15所示，可利用箍筋K1b，K2b，K2b′伸入拱座，具体处理为：①将实体段的箍筋K1b，K2b，K2b′梁顶面的封口端打开，将长段(长120cm)扳直并伸入拱座，短段仍保持原有水平状态，但需另加钢筋接长并与长段交叉焊接；②在1m高拱座范围内，另设置2层水平钢筋网，与长段钢筋及拱座原有钢筋绑扎成为整体，如图14所示；③拱座范围竖向预应力钢筋采取二次张拉工艺。

图14 防裂及结合面黏结加强钢筋布置

图15 梁-拱结合部实体段箍筋布置

6.3 其他措施

1)钢管拱合龙时考虑温度变形影响，高温合龙，降温时达到推力最小。

2)新老混凝土面凿毛至新鲜混凝土，并开槽。

3)优化混凝土配合比，尽量减少水泥用量，加强混凝土振捣及养护工作。

4)细化钢管拱施工组织设计和施工工艺，确保工程质量。

6.4 处理效果

二期恒载施工后拱座表面无裂缝，通过拱座与连续梁0号块界面预埋的应变片测量反映出两构件变形同步，未发现相对位移情况，效果良好。

7 结语

连续梁拱组合桥因挂篮安装等原因，导致拱座混凝土与连续梁0号块混凝土不能同时浇筑，往往造成拱脚一定范围出现裂缝，降低了结构承载力，影响耐久性。本工点情况基本达到极致，通过分析提出的解决措施简单易行，为类似情况提供了一种行之有效的解决办法。