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。
方案一：更换桥面板
即将原桥桥面10厘米厚铺装层凿掉，将原钢筋网取掉，施工时注意尽量不破坏微弯板。然后在微弯板靠近支点部位、各拱片顶部与桥面板结合的位置种植短钢筋，间距20厘米，呈梅花型布置。再以微弯板为底模，在其上铺设桥面板受力钢筋，重新浇筑12厘米厚50号水泥混凝土桥面板，养生待形成强度后再开放交通。
方案二：铺设桥面补强层
即在现有的桥面板基础上铺筑6～8厘米厚的补强层。施工时先凿除原桥面板混凝土约2～3厘米左右，使其表面粗糙。再对结合面进行处理，然后在原桥面板上种植短钢筋，间距20厘米，呈梅花型布置。采用干硬性混凝土或钢纤维混凝土浇筑补强层，以减少新浇混凝土的收缩，养生待形成强度后再开放交通。
方案一桥梁恒载增加很小，无论从受力还是从加固后的效果来讲都较为理想；缺点是工作量较大，施工工期较长。方案二对桥梁恒载略有增加，施工简单、快捷，但桥面结构受力不合理，有进一步开裂的隐患。优点是工程量较小，工期短。
经比较，我们推荐方案一作为该桥的首选加固方案。
七、加固方案计算分析
将方案一，即推荐方案进行了新增桥面板计算分析，采用板单元进行建模计算。计算模型及结果如下：
图二 桥面板计算模型
计算结果表明，横桥向，两拱片之间，板跨中最大正弯矩2.08吨.米，拱片上方，板最大负弯矩8.25吨.米。据此，进行配筋计算，对于板跨中，由于此处微弯板厚度较薄，只有6厘米，所以不考虑微弯板的作用，取用12厘米的新增桥面板进行计算，需用钢筋面积9.7cm2，采用10cm间距布置Φ12钢筋即可满足设计要求。对于支点处，由于此处微弯板厚
度较厚，考虑其共同参与作用，取用弯矩8.25吨.米进行计算。需用钢筋面积10.7cm2。同样采用布置Φ12钢筋，间距10cm，即可满足要求。对于桥面板纵向配筋，考虑原来布置的
负弯矩钢筋已取掉，重新取用Φ16钢筋，以间距15cm进行布置。为了防止桥面出现微小裂缝，上面铺设一层冷轧带肋钢筋网。
图三 桥面板计算结果（吨.米）
对于刚架拱片的受力，由于新增桥面板比原来厚了2cm，恒载增大不多，对于负弯矩区受力，有了改善作用。汽车荷载作用下，最大负弯矩由6.6吨.米减为6.2吨.米；挂车荷载作用下，最大负弯矩由8.6吨.米减为8.0吨.米。正弯矩区段，汽车荷载作用下，最大弯矩为8.6吨.米；挂车荷载作用下，最大弯矩为9.7吨.米。而拱片在跨中段能承受的最大正弯矩为30.5吨.米。因此，加固后，拱片安全度满足设计规范要求。
八、结束语
本桥已按推荐方案进行了加固施工，并取得了良好的效果。实践证明，本加固方案是切实可行的。
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