桥梁结构设计研究分析
桥梁结构设计研究分析
王静宜
摘要：随着我国经济发展及城市化进程的推进，人们对桥梁结构提出了更高的要求。上承式拱桥桥面构造简单、桥型优美，并且可有效地分散荷载，减小桥梁的变形和压力，受到了广大设计者的欢迎。综合考虑道路与景观的协调性，以及本着追求“绿色桥梁”的理念，本文以晋城市东河上游拱桥设计为例拟设计上承式拱桥，立足背景考察，对桥梁及桥面设计展开分析，并总结了施工监测控制措施以及施工过程中的相关注意事项，为以后类似的桥梁结构设计提供一定的参考。
关键词：桥梁结构、上承式、设计与分析
1、桥梁概况
晋城市东河上游河道综合治理及清水复流配套道路工程位于晋城市城区北部，是城市总体规划中的一条城市支路，考虑道路与景观的协调性，拟在桩号 K0+294 处设置一座上承式拱桥，桥梁全长为 46.68m，桥面宽为 19m，适用于承受静荷载和动荷载较大的情况。
本工程所在场地属于丘陵沟谷地貌单元，桥梁所在场地较平坦，局部成台阶状。根据勘察钻孔资料显示，勘察施工期间未揭露稳定分布的地下水。根据地形特征，受大气降水下渗影响，在地势低洼地段会出现少量的上层滞水。因此在雨季或丰水期施工期间应采取相应的放排水措施。
2、拱桥设计要点
2.1桥梁设计背景考察
地层是地质学研究的基础，可以是岩石，也可以是未固结的沉积物，对场地勘察发现该场地地层种类有素填土、中风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂质泥岩等，下表为场地各土层的地基承载力特征值，提供一定的依据。
表1：土层的地基承载力特征值
层号 岩土名称 地基承载力特征值fa0（KPa） 土石工程分级
2 中风化砂岩 fa0=400 V次坚石
3 强风化砂岩 fa0=400 IV~V(软石~次坚石)
4 中风化砂岩 fa0=400 V次坚石
5 强风化泥岩 fa0=400 IV软石
6 中风化砂岩 fa0=400 V次坚石
7 中风化砂质泥岩 fa0=400 V次坚石
8 中风化砂岩 fa0=400 V次坚石
勘察完毕后的结构分析是结构施工控制的主要工作内容之一，该项工作根据施工过程与成桥运营情况来完成各施工状态及成桥后的内力与位移计算，进而确定出结构各施工阶段的内力与位移理论值。计算可考虑施工的进程、时间、相应状态临时荷载、环境温度、截面的变化、结构变化、混凝土的收缩与徐变、预加应力等因素。可确定预测下一施工状态及施工成桥状态的内力与位移。结构施工过程结构分析采用倒退分析与前进分析两种方法。结构施工过程结构行为分析采用非线性有限元分析软件 Midas /Civil 建立结构模型，主拱圈和立柱等均采用梁单元，施工阶段分为承台、墩、拱圈和立柱等阶段。该项分析包含以下内容：桥梁结构的检算复核、复核结构初始状态的预拱度、确定各施工理想状态的内力与位移；通过比较确定出结构最大内力与位移的相应状态；施工过程中的稳定性计算：确定最不利状态，提出相应的抗失稳措施等。
2.2主要设计参数
上承式拱桥的设计要点涉及到结构的几何形状、受力特点、构件的设计以及防震设计等多个方面，需要在实践中进行合理的优化和验证。拱的几何形状是决定上承式拱桥力学性能的关键因素。拱的跨度、高度、弦高比和开度角等几何参数需要根据桥梁所在的地形地貌和道路状况等因素进行优化设计。上承式拱桥的受力主要集中在拱脚处，因此拱肋的受力应该得到合理的分配。一般情况下，应该保证拱肋的最大应力位于拱脚处。拱墩是承受桥梁荷载和支撑拱肋的重要构件。拱墩的高度、形状、支座形式和地基处理等因素都需要进行精确的设计和计算。上承式拱桥作为一种重要的交通基础设施，需要具备一定的抗震性能。在设计中，需要考虑地震荷载对桥梁的影响，并采取相应的措施，如设立防震支座、提高桥墩的抗震性能等。整个设计方案如下图所示。
图1：晋城市东河上游上承式拱桥结构示意图
主要技术指标如下：道路等级为城市支路。设计速度：30km/h。计算荷载：汽车：城－B级、人群荷载:3.5KPa人行道板设计荷载5Kpa。设计基准期为100年。设计使用年限为50年。桥面宽度：0.5m(栏杆）+3.0m（人行道）+12.0m(车行道)+3.0（人行道）+0.5m(栏杆）=19.0m。环境类别：上部为Ⅰ级，下部为Ⅱ级。桥面防水等级：Ⅰ级。桥梁护栏防护等级：SB级。工程安全等级:一级。工程重要性系数:1.1。道路纵坡：I=1.0%。桥面横坡：车行道 1.5％横坡，人行道 2％横坡。抗震：地震基本烈度 6 度，地震动峰值加速度 0.05g。地基承载力特征值：fak ≥350kPa。有效温度标准值：最高日平均 34℃，最低日平均-10℃。
2.3桥梁结构设计
桥梁上部结构采用实心板,下部结构采用钢筋混凝土立柱盖梁+钢筋混凝土板拱，基础采用钢筋混凝土扩大基础。桥梁主拱圈为现浇 C40 圆弧板拱，拱圈净跨 32 米，矢跨比为 1/4.85，拱圈外形为 1600cm×100cm 矩形板拱。上部采用 C40 现浇混凝土实心板梁、立柱盖梁与板拱连接。拱座为现浇 C40 钢筋混凝土。桥台采用重力式 U 型桥台，基础为扩大基础，采用 C30 混凝土现浇。本桥横断面布置如下：0.5m（护栏）+3.0m（人行道）+12.0m(车行道)+3.0m（人行道）+0.5m（护栏）=19.0m。该桥上跨公园河道，上部结构采用实心板,下部结构采用钢筋混凝土立柱盖梁+钢筋混凝土板拱。根据地质勘查报告，本工程为钢筋混凝土扩大基础设计。由于桥梁位置处于采空区，经采空区治理后，两侧桥台沉降差应不大于5cm。
2.4桥面设计
桥面系是承载行车荷载并将其传递给拱桥的结构体系。桥面系的设计包括桥面板、支座、横梁、纵梁等多个方面，需要充分考虑荷载的分配和传递问题。渗水问题时有发生，因此在桥梁桥面设计时应充分考虑排水及防水问题。桥面利用横坡排水，桥面行车道两侧每隔5米设置一道PVC泄水管，防治水流进入伸缩缝，并且本桥台处均采用的是D100型伸缩缝，平行垂直于桥梁轴线安装，也能有效防治水流的渗入，且维护也相当简便。桥面防水设计时应选择密实度较高的混凝土，本桥面铺装采用沥青混凝土，值得注意的是要设置钢筋网，防治混凝土开裂。有效的防水设计将避免影响桥梁内部质量，增强桥梁的耐久性。此外为保证行车和行人的安全性，在桥梁两侧设置3.5米宽人行道，路基与桥台相接处设置锥坡进项防护[1]。
2.5结构动力特征分析
采用有限元分析法并结合结构动力学理论，分析受温度影响的动力性能特点，温度是影响主梁挠度和应力的主要因素之一，施工控制中温度监测是十分重要且必不可少的。对混凝土进行温度监测，获得与应力及位移相对应的大气温度以及主拱温度，掌握结构大致的温度场情况，以便对计算模型或立模标高加以修正，为控制分析服务。温度变化包括季节性温变和日温变化两部分。日温变化比较复杂，尤其是日照作用，会引起主梁顶底板温度差，使主梁产生挠曲。季节温差对主梁挠度的影响比较简单，其变化是均匀的，可采集各节段在各施工阶段的温度，输入计算机，分析其对挠度的影响。措施上采用高精度温度传感器，预埋在结构的各个控制点，在观测标高的同时监测结构温度，最大限度地消除或减小温度引起的误差。温度监测元件采用热敏电阻式温度传感器，具有精度高，监测方便的特点，该温度传感器已耦合在 JTM-V5000 振弦式应变计、JTM-V1000 钢筋测力计中，其测点布置与 TM-V5000 振弦式应变计、JTM-V1000 钢筋测力计位置相同。通过预埋温度传感器，以获得与线形及位移相对应的大气温度和主拱圈自身温度，分析应力随温度变化的规律[2]。
3、施工监测
大跨径桥梁施工阶段的应力和变形是非常复杂的，设计阶段的理论分析和模拟计算不可能完全反映工程实际的施工受力状态，因为材料参数、环境因素和施工误差是事先难以预测的，因此对桥梁施工各个阶段进行全过程监控是十分必要的，从而保证施工过程中结构的安全性、桥梁分段顺利合拢、桥梁成桥受力状态及合拢后桥面线形良好。
桥梁的施工控制是一个预告—量测—识别—修正—预告的循环过程。在闭环反馈控制基础上，再加上一个系统辨识过程，整个控制系统就成为自适应控制系统。切实有效的施工控制方案必须建立一套科学、合理、系统的控制流程，需根据桥梁的特点，确定施工控制流程。施工控制的要求首先是确保施工中结构的安全，其次是保证结构的内力合理和线形平顺。为了达到上述目的，施工过程中必须对桥梁结构内力和主梁标高进行双控。由于桥梁在施工过程中，已成结构的几何状态是无法事后调整的，所以施工控制主要采用事前预测和事中控制法，主要体现在施工控制结构仿真分析、施工监测（包括结构变形与应力监测）、施工误差分析与后续施工状态预测、梁段模标高调整等几个方面。
4、注意事项
施工工艺在符合相关技术标准的前提下，还应注意以下几个方面：
（1）板拱采用满堂支架现浇施工，施工时应注意支架的强度、刚度及稳定性，支架应进行堆载预压，拱桥的预压重量为主拱圈自重的 1.2 倍，以消除支架的非弹性变形，当支架的变形及不均匀沉降稳定 48 小时后才可卸载，支架经预压后总沉降量不得大于 5mm。
（2）在支架上立模并绑扎钢筋，现浇混凝土，随着混凝土的浇筑，应逐步减少不必要的施工荷载；主拱圈浇筑应按对称均匀的原则，从拱脚向拱顶浇筑，浇筑过程中应密切观察拱顶变形情况，当变形较大时应先浇筑拱顶段混凝土以平衡变形。
（3）当主拱圈强度达到 100%设计强度后才可进行拱上结构的施工。
（4）拱上结构及桥面系的施工应避免使主拱圈产生过大的不均匀变形，排架结构应从拱脚向拱顶对称的进行。
（5）基础、拱座、主拱圈、排架等需预埋相关部位构件钢筋，拱上侧墙预埋路灯基础钢筋，施工时不得遗漏。
（6）为防止拱圈出现早期收缩裂缝，必须严格控制水泥用量、水灰比及注意混凝土的养护。
（7）为减少温差对拱圈内力的影响，施工合拢温度应严格控制在 12-15度。
（8）外露砼构件浇筑时，模板应精心设计，以保证外观质量。
（9）焊接钢筋时，要根据规范要求，严格检查焊接质量和几何尺寸。
（10）拱上结构未完成时，不允许车辆在桥面上行驶。
（11）普通混凝土最大氯离子含量 0.3%，最大碱含量 3Kg/m3，最小水泥用量 275Kg/m。为降低承台及台身(大体积混凝土)的水化热，防止主拱圈由于温度应力产生的裂纹，可在混凝土内掺加适量粉煤灰。
（12）箍筋末端应做成弯钩，弯钩长度满足规范要求。
本文以以上承式拱桥为例，对桥梁结构设计进行了研究分析，拱桥施工难度小且维护简便，符合“绿色桥梁”理念。首先对桥梁结构的基本原理和设计要求（只要从桥梁结构设计、桥面设计等方面）进行了介绍，并结合实际工程案例，分析了以上承式拱桥的特点和设计优势并提出了相应的设计方法和技术要点，通过有限元分析和实测数据对以上承式拱桥进行了强度和稳定性验证。最后分析了施工监测的重要性并结合相关施工标准提出了施工过程中的注意事项。总的来说，本文全面深入地探讨了桥梁结构设计的关键问题，为桥梁工程设计提供了有益的参考和借鉴，具有一定的实用性和指导意义[3]。
参考文献
[1]段晓伟.190 m跨铁路上承式钢筋混凝土拱桥设计[J].城市建筑,2022,19(08):138-140.DOI:10.19892/j.cnki.csjz.2022.08.35.
[2]黄文泉.基于有限元分析的上承式拱桥设计研究[J].交通节能与环保,2019,15(01):119-122.
[3]张清旭,宁晓骏,陈旭等.上承式拱桥设计方案对比分析[J].工业安全与环保,2020,46(09):52-54.
