刚架拱桥的受力分析及加固方案

一、工程概况

　　某三孔18米钢筋混凝土刚架拱桥，矢跨比为1/8；下部结构为钢筋混凝土桥墩、石砌重力式U型桥台；桥面结构由预制微弯板、现浇混凝土填平层及桥面铺装组成，刚架拱片由上弦杆及实腹段组成。该桥桥面板在近期例行检查中发现纵向及横向微裂缝，以横向裂缝为最多。在第三孔靠近桥墩位置处，桥面板出现局部沉陷。

　　二、设计技术标准：

　　1. 公路等级：山岭重丘一级

　　2. 设计荷载：汽车－超20级，挂车－120。

　　3. 地震基本裂度：Ⅵ度

　　4. 桥梁全宽：17.60米

　　三、主要材料：

　　1. 混凝土：

　　35＃：拱片现浇接头。

　　30＃：预制拱片、微弯板、悬臂板、现浇填平层及桥面铺装。

　　25＃：桥墩、桥台背墙、拱座，栏杆、防撞栏、安全带。

　　20＃：桥墩基础。

　　2. 钢筋：

　　主筋：Ⅱ级钢筋；

　　其它：Ⅰ级钢筋；

　　钢材：A3钢

　　3. 承台、墩身、桥台、护栏、搭板为30号混凝土。

　　四、结构验算

　　1、上部结构验算情况

　　采用空间梁单元和板单元，对刚架拱片进行了计算分析，计算模型如下：　　图一 拱片受力分析模型

　　按三个机动车道进行布载，考虑了车道折减系数和汽车荷载作用冲击系数。经计算，在汽车荷载作用下，跨中产生的最大竖向位移为5.5毫米，在挂车荷载作用下，跨中产生的最大竖向位移为6.0毫米。均小于1/800L,结构刚度满足设计规范要求。最大负弯矩发生在拱腿轴线与拱片轴线的交点处，汽车荷载作用下，上缘最大负弯矩为16.6吨·米。挂车荷载作用下，上缘最大负弯矩为21.4吨·米。考虑此点弯矩的不真实性，因为在建立模型时，拱腿、拱片的轴线交于一点，而实际上，拱腿与拱片的相交区域，有一个很长的变化段。为考虑弯矩的折减系数，建立块体单元模型与梁单元模型对此点弯矩进行比较，求得弯矩折减系数为0.4。折减后，汽车荷载作用下，负弯矩为6.6吨·米，挂车荷载作用下，负弯矩为8.6吨·米。而拱片在此处的厚度为81.2厘米，上缘的配筋为4根Φ16钢筋。如不考虑桥面铺装与微弯板的作用，刚架拱片的极限承载力为14.2吨·米。据此可判断，在汽车、挂车荷载作用下，刚架拱片负弯矩区极限承载力满足规范要求。对于正弯矩区段，拱片配筋较多，而弯矩较小，拱片安全储备较大。拱片间的横隔板，受力较小，配筋满足要求。拱腿受力，在汽车荷载作用下，最大轴力为76.4吨，弯矩为0.9吨·米。在挂车荷载作用下，最大轴力为93.4吨，弯矩为9.9吨·米。按偏心受压构件进行计算，拱腿配筋满足规范要求。采用板单元和实体单元对微弯板与桥面板进行计算分析，结果表明，配筋均显不足。

　　2、下部结构验算情况

　　在恒载，恒载+汽车，恒载+挂车作用下，各支撑受力情况见下表。

　　由上可知，在汽车与挂车荷载作用下，个别弦杆存在脱空现象。

　　在各种荷载作用状况下，桥台最不利受力情况见下表。

　　台后土压力的计算，按台后填土为中砂进行计算。容重取1.9t/m3，内摩擦角取为36度。由此进行计算，计算结果表明桥台满足设计规范要求。桥墩的计算，分两种布载情况进行，一种是一孔布挂车荷载，另一孔空载。另一种是一孔布汽车荷载，另一孔空载。计算结果如下，仅列出最不利受力情况：

　　桥墩、桥台稳定、应力验算表

　　计算中发现，在上述布载情况下，桥墩基底应力均是一侧出现拉应力。考虑到基底不能承受拉应力的情况，按基底应力重分布进行重新计算，求得最大基底应力，如上表中数值所示。经与地质资料进行对比，结果表明，桥墩、桥台抗滑、抗倾覆、基底应力均满足规范要求。

　　五、分析

　　 拱片在汽车荷载和挂车荷载作用下，强度均满足设计规范要求。而微弯板跨度较大，跨中板厚较薄，桥面板纵、横向配筋不足，桥面板与微弯板连接不良是导致一系列裂缝出现的主要原因。而下部结构，均能满足设计规范要求。

　　六、加固方案

　　根据计算及分析结果，特提出以下加固方案，在设计加固方案时重新考虑了刚架拱片的受力，经详细分析各部分受力满足规范要求。