【路桥讲坛】改进型刚架拱桥

刚架拱桥是我国自主创新的桥型，已逐渐成为中等跨径公路拱式桥梁的常用桥型。但早期设计的刚架拱桥，荷载标准偏低，耐久性考虑不足，在快速增长的重载交通面前出现不少病害。对此相关研究人员做了大量的科学研究，提出很多改进措施，并设计建造了一批改进型的刚架拱桥。作为刚架拱桥原创的研究人员，笔者对其进行了归纳与研究，提出了一些改进设计建议。

刚架拱桥的主要病害有：桥面及肋腋板开裂，甚至穿孔；横系梁竖向开裂，甚至脱落；实腹段下缘竖向裂缝；内外弦杆特别是外弦杆竖向裂缝；主节点、次节点结合部裂缝；主拱腿拱脚和斜撑下端裂缝。

病害的产生有主客观原因。交通量和超重车迅猛增加，无疑是客观原因。但定型设计图本身也有不足，是主观原因。

定型设计图的主要不足：

1.采用30年前的设计荷载标准，已不能满足现行设计荷载标准要求，更不能适应超载车辆重荷。

2.杆件内力采用平面杆系有限元作计算，空间作用采用单一的弹性支承连续梁法横向分布系数作近似考虑，不仅拱片内力存在一定误差，而且未对桥面系和横系梁作空间内力计算。

3.桥面系和横系梁截面尺寸偏小，配筋偏少，与拱片的联结不够牢固。

4.大小节头未作局部应力计算，并据以配筋，偏薄弱。

5.对疲劳和耐久性问题考虑不足。

众多刚架拱桥出现病害，有的因病害严重而进行加固，这不得不令人思考：刚架拱桥这种桥型能否适应重载交通的需要？

两座跨径60m刚架拱桥经简易加固后将承载能力提高3倍多，顺利通过433吨（4252KN）大件运输车的实践，使我们对这种桥型的改进发展充满信心。

广西百色澄碧河大桥和永乐大桥都是跨径60m刚架拱桥，原设计荷载为汽—20,挂—100，于1994年建成通车。1999年因天生桥水电站建设需运送特大构件，牵引车和拖车全长36.53m，总重高达433吨，需通过这两座桥，故需通过加固，使其承载能力在原设计基础上翻两番多。

加固前检测发现，桥梁跨中、横系梁和微弯板都有裂缝，缝宽一般都超过0.2mm，个别最大裂缝宽0.59mm，属于病害桥梁。

通过对桥梁进行强度和刚度校检，按特大构件荷载的计算内力确定缺筋量，进行加固设计。抗正弯矩采用粘贴钢板补强加固，抗负参矩采用加大断面法和配筋加固，在桥面增加250px厚的混凝土。加固后特大构件通过前，进行了荷载试验，分4级加载，最后一级为433吨。荷载试验成功后，7个特大构件逐一顺利通过。

尽管外粘钢板的耐久性可能有所不足，但由此项4倍于原设计荷载的超重车成功过桥的实践得到启示：如果新桥设计把主要构件的配筋量，按加固钢板量换算并配置充足，并将桥面系、横系梁和大小节点予以加强，刚架拱桥这种桥型是能够抵抗超重车负荷的。

30年前的“定型设计图”，限于当时条件，采用平面杆系有限元法加上活载横向分布系数，将空间结构作简化计算，横向分布系数采用弹性支承连续梁简化法计算。肋腋板则应用等刚度原则，将板换算成变截面双向板，用SAP空间板单元程序计算内力。考虑板的支承状态可能发生变化，而将计算结果乘以应力增大系数。对横系梁内力状态缺少了解，而按经验作设计。

东南大学、浙江大学和山东科技大学等对刚架拱桥的空间结构进行了深入研究，采用空间有限元建立空间结构分析模型，对全桥空间结构包括横系梁进行计算分析，得出以下认识：

1.刚架拱桥横系梁内力计算和设计直接关系到结构的整体受力和安全，横系梁是影响全桥承载力的重要因素，在设计施工中应高度重视。如果横系梁刚度小，数量少，配筋不足，施工中处理不当，都可能出现严重开裂甚至断裂。横系梁的病害，一方面会降低全桥结构整体性，使单片拱肋受力增大；另一方面会削弱肋腋板或微弯板的横向约束，使其受力状态变差。

2.弹性支承连续梁法所得横向分布系数，虽能大体分配各拱片所承担的活载，但因未考虑横系梁的尺寸、数量和分布状况，以及桥梁跨径大小的影响，也未考虑活载作用下不同部位横向分布的差异，因而存在明显的局限性。按空间整体建模方法对25m、35m、45m、60m四种跨径的横向分布系数及其沿纵向变化规律作分析，结果表明，弹性支承连续梁法所得横向分布系数在跨中偏小，跨径越小，误差越大。而当将拱片间距按0.8倍减小后，二者接近。

陕西通宇公路研究所选择净跨30m刚架拱桥定型设计图为研究对象，根据现行桥梁规范，按公路—1级标准汽车荷载和新温度梯度曲线，采用大型结构分析有限元通用程序，对各主要控制截面进行了极限状态复核验算。

验算结果表明，使用阶段中实腹段裂缝宽度超限且承载力储备不足；大节点负弯矩较大，设计中应考虑通长钢筋布置；温度变化引起的结构内力虽然都不大，但在拱顶和拱脚稍大，而且往往是同号叠加，设计中应予考虑。

长安大学在分析研究刚架拱桥常见病害基础上，从设计参数优化入手，以一座9孔跨径30m改进型刚架拱桥设计为依托，对刚架拱桥的改进措施和极限承载力进行了研究，取得如下认识：

1.在改进设计方面

①增大拱片尺寸，减小拱片中距，以提高结构刚度。

②加强各拱片之间横向联系，适当加大横系梁截面，减小其布置间距，采用现浇施工的连接措施。

③改进节点连接方式，采用现浇湿接头以提高整体性。

④桥面系改用带承托的单向支承桥面板，板的跨中厚375px，端部厚625px，并在板上铺设250px厚沥青混凝土，以减少冲击振动作用。

⑤对主要受力构件依据空间结构分析计算结果，按现行桥梁规范作配筋设计，适当增加截面纵向钢筋及箍筋配筋率。

2.在提高承载力研究方面

以有限元方法的空间稳定理论、非线性理论及统一理论下的单材料本构关系为基础，建立改进后依托工程及原定型设计图的有限元模型，然后分别针对单跨整桥和单跨边拱片，分析了第一类稳定问题。并以第一类稳定求解法作为上限，采用双重非线性方法，进行极限承载力分析研究。得出：

①不同加载状况下，单跨整桥改进设计的第一类稳定特征值，比定型设计平均大63.4%。

②考虑双重非线性时，改进设计的极限承载力比定型设计提高16.99%；若同为跨中偏载加载时，改进设计的极限承载力，比定型设计提高62.29%。

③桥梁极限破坏时，改进设计的跨中挠度远小于定型设计值。

研究结论：刚架拱桥经改进设计后，其极限承载力显著提高。

辽宁省某公司和设计院运用Algor有限元空间分析软件，对一座跨径50m刚架拱桥的大节点作计算分析，得知大节点主拉应力恒载时为1.1MPa,恒载+升温20℃为1.6MPa,恒载+升温20℃+汽-20（按大节点最不利加载）为2.2MPa,超过了C30混凝土抗拉设计强度2.01MPa。

山东某大学利用有限元软件ANSYS对刚架拱桥单片拱片的大节点作分析，以跨径35m刚架拱桥为例，建立了最不利拱片的整体分析模型，并引入横向分布系数分析单片拱片受力情况，粗略划分网格建立模型，同时取大节点部位3m区段，进行局部划分精细网格。由计算得知：大节点主拉应力自重时为1.1MPa，自重+二期恒载为1.35MPa,自重+二期恒载+活载为8.65MPa(优化设计前)和6.92MPa（优化设计将拱片由5片加至6片后），均远超过C30混凝土抗拉设计强度2.01MPa。

该项研究还提出了在节点内置异型钢板加强节点的技术措施，经计算在内置3块钢板后，自重+二期恒载+活载主拉应力降低为5.35Mpa。

某工程技术公司在两座跨径百米以上的甘肃太乐1号和2号大桥设计中，针对小节点截面上缘由于负弯矩在桥面混凝土面层中产生的拉应力，采取了释放该截面恒载弯矩，增加桥面面层内配筋的措施。具体做法是：在浇筑桥面铺装层混凝土时，将小节点左右共约15m长度范围内预留200px厚度混凝土暂不浇筑，待全桥其余恒载基本完成后，再在该段缺口内布设Φ12-Φ16mm、间距125px的纵向受力钢筋。此钢筋内恒载应力几乎为零，活载应力按计算控制在30MPa左右，从而可避免上缘混凝土开裂。对拱脚截面负弯矩也按此思路处理。实践表明这种做法有效。

广东龙川东江大桥新桥 ：主桥为4孔跨径75m改进型刚架拱桥，矢跨比1/9，桥宽10.25M。设计荷载为公路-1级。下游侧为一座相同跨径布置的刚架拱桥，参照1984年定型图设计，已不适应新的公路荷载标准。

新桥与旧桥相比，作了以下重大改进:

全桥横向由3片宽1500px的拱片组成，3片拱片底面由250px厚钢筋混凝土板整体相连，在实腹段形成箱形截面，在主拱腿形成凹形截面。拱片间设横隔板，与拱肋一次浇筑成整体结构。

在斜腿之间设直径1500px圆形截面的系杆。桥面板改为横向带承托的整体钢筋混凝土板，横向板的跨中厚375px，承托处厚1000px,桥面铺装层厚8～500px，横坡1.5%。

以上改进增强了刚架拱桥的整体性并提高了整体刚度。在此基础上，按新桥规公路一I级荷截标准，对全桥进行了详细的结构计算，适当增加全桥配筋数量，从而提高了全桥的强度。

该桥于2009年4月建成通车，至今运行状态良好。

山东兖州泗河大桥： 主桥为9孔跨径30m改进型刚架拱桥，桥宽13m。设计荷载为公路一I级。

主要改进措施为:

1.提高桥梁刚度:减小拱片中距，增大拱片结构尺寸。

2.增强桥梁整体性：加大横系梁截面尺寸，减小横系梁布置间距，横系梁与拱助的连接和大节点均采用现浇混凝土接头。

3.增大桥梁强度：采用空间有限元程序计算结构内力，并按新桥规进行配筋。适当增加截面纵向配筋率，同时适当增加主拱腿等构件的箍筋配筋率。

4.桥面系采用单向支承钢筋混凝土桥面板，其上铺设250px厚沥青混凝土桥面，以减轻振动冲击。该桥于2008年3月建成通车，至今状态良好。

山西运城国道209线河津-临猗段跨线桥： 该桥为跨径50m的改进型刚架拱桥，矢跨比1/8，桥宽7m。设计荷载为公路-Ⅱ级。桥台采用地下连续墙基础。

主要改进措施为：

采用空间分析法计算拱片横向分布系数，强化拱片配筋。

加大横系梁截面尺寸，改变横系梁与拱肋的连接方式，提高结构整体刚度和整体性。

加大拱肋截面尺寸，提高其竖向和横向抗弯刚度。

将拱顶钢板接头和大节点钢板接头改为现浇接头，杜绝钢板接头锈蚀问题，并提高结构整体性。

优化小节点现浇接头长度，保证预制构件联结牢固。

增加微弯板厚度，并根据横向加载计算进行配筋。

优化桥台基础结构方案，防止基础产生有害水平位移。

加强施工过程质量控制。

该桥于2006年6月建成通车，至今状态良好。

甘肃庆阳驿马镇太乐1号和2号桥 ：太乐1号桥和2号桥分别为单孔净跨115m和125m大跨度改进型刚架拱桥，矢跨比1/6，桥宽24m。

主要改进措施为：

拱肋采用抗弯抗扭刚度大的单箱三室截面。

上部结构全部是在劲性骨架上现浇的钢筋混凝土整体结构，整体性能良好。

桥梁分为上、下游两幅桥，按转体施工工艺修建，施工质量和安全得到保证。

针对小节点和拱脚截面负弯矩在结构上缘产生拉应力，采取释放该截面恒载负弯矩，增加桥面层配筋等措施。

选择能确保拱脚不发生有害位移的下部构造。

2004年3月对大桥进行的动静载试验表明，桥梁刚度、强度均满足设计要求。

1.刚架拱桥设计理念，应以增强结构整体性，提高承载能力和耐久性为前提。考虑到交通量的发展和超载运输的现实，应适当提高安全储备，确保刚架拱桥适应现代公路交通需要。

2.刚架拱桥设计的结构计算，应采用空间有限元程序，对于应力复杂的节点部位，还应采取精细网格的局部应力分析，提高计算精度，正确选择截面尺寸和配筋。

3 .参照30年前定型设计图设计的刚架拱桥，按现行桥梁规范和交通现实衡量，设计荷载偏低，强度和刚度不足。新桥设计，应适当加大截面尺寸，并酌情加密拱片，提高配筋率。跨径较大时，可采用箱形截面。

4.桥面系不应再采用少筋混凝土结构，而应采用与拱片整体联结的钢筋混凝土板式结构，按最不利荷载内力配置足够钢筋。

5.横系梁的刚度、强度，及其与拱片连接的牢固程度，对全桥整体性有重大影响，应按空间有限元程序算得的内力作横系梁设计和配筋。横系梁与拱片的连接不应采用钢板焊接接头，而应采用钢筋相互焊牢的现浇混凝土接头。对横系梁施加预应力有利于提高结构整体性。

6.重视提高刚架拱桥抗疲劳性能和耐久性能。

7.刚架拱桥属于有推力的超静定拱式体系，拱座位移对其受力十分不利。设计中应确保桥台的稳定性。多孔拱桥应作连拱设计计算，并设置稳定的单向推力墩。不提倡在软土地基修建拱桥。

8.钢管混凝土结构的抗压和抗弯性能良好，适用于拱式结构，当然也适于刚架拱桥。拱片构件和横系梁可采用钢管混凝土，桥面体系可采用钢-钢筋混凝土组合结构。施工时可先装配好钢结构部分，连接牢固后，按一定程序配置钢筋并灌注混凝土。

可以期待，钢管混凝土刚架拱桥，将有可能成为整体性能更好、承载能力更高、施工更简便的新一代刚架拱桥。