整體式預應力葵花拱橋受力特點

金文成， 趙弘堯， 白金增， 秦 波

(1.華中科技大學 a.土木工程與力學學院； b.控制結構湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074；2.武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070)

葵花拱橋是一種新的橋型。橋梁結構優美，層次感強。在國外未見有此種橋型的相關報導，在國內近幾年已有幾個工程實例。例如，桂林新解放橋，江山迎賓大橋等。桂林新解放大橋2001年9月28日正式通車，全橋長283.6 m，寬45 m，為三跨空腹式連拱結構與兩岸側的曲梁組合體，跨徑組合為(41.54+61+72+6l+41.54) m，設置體外索貫穿全橋[1]。江山迎賓大橋2007建成通車，橋梁全長305.5 m，其中主橋為(55+90+55) m上承式系桿葵花拱橋[2，3]。目前國內此種橋型均為非整體式系桿葵花拱橋，尚無整體式預應力葵花拱橋。

1 整體式預應力葵花拱橋特點

整體式預應力葵花拱橋與非整體式系桿葵花拱橋在結構和受力上有所不同，如圖1示意圖。以下通過兩者的對比說明其特點。

圖1 兩種橋型結構特點對比示意圖

1.1 非整體式系桿葵花拱橋

(1)橋面板(梁)不連續，由簡支板或者幾聯連續梁組成[1～4]。通過在邊拱、腹拱及主拱之間架設簡支板或者連續梁，梁板與拱之間設支座連接；橋梁處兩橋臺外，可能存在多處伸縮縫。

(2)預應力束為體外無粘結索，稱為系桿，其預應力比較低。體外索的張拉力通過岸跨粱傳遞到拱腳來平衡部分水平力[1]，對橋面板或主梁結構無作用效果。

(3)橋梁結構受力更簡單，但整體性能較差。

(4)施工相對來說較簡單方便。

1.2 整體式預應力葵花拱橋

(1)全橋橋面板(主梁)為整體式的，避免了設置多道伸縮縫，大大改善了行車的舒適度。

(2)整體式橋面板(主梁)內布置有粘結預應力束，預應力取值比系桿更高，控制張拉預應力可取0.75fpk，既能起到系桿的作用，平衡結構的水平推力[5～7]，同時可以很好的改善梁的受彎性能[8～10]。

(3)橋梁結構為拱式剛架體系，結構受力復雜，但是具有很好的整體性能。

(4)結構施工技術難度更大。

“湖北省應城市城南大道延長線工程”中，應城市富水河橋(已竣工)就采用了這種橋型。本文采用商業有限元軟件對這種橋型做力學分析，進一步探索其受力特點。

2 工程概況

應城市富水河橋位于應城市城南區，跨越應城市富水河，東接應城市解放路，西接肖灣路，是應城市城區路網規劃的重要組成部分。全橋長73.669 m，橋寬24 m，主結構采用拱式剛架體系，跨徑布置為(17.137+32.274+17.137) m，邊中跨比為0.53。其中，主孔拱軸線半徑27.30 m，凈跨30 m，凈高4.55 m；邊跨結構底緣線為半徑27.30 m順接直線。主跨與邊跨之間設腹拱，腹拱為拱軸線半徑10.09 m的圓曲線。橋型總體布置圖如圖2。

圖 2 富水河橋總體布置/ cm

3 結構受力分析

3.1 預應力束設置

本橋橋面板高度為50 cm，橋面板縱向預應力沿橫向均勻布置11束Φs15.2鋼絞線，預應力束中心距橋面板下邊緣10 cm，沿橋直線布置。張拉控制應力為1395 MPa 。

3.2 受力特點

富水河橋與國內現有幾座葵花拱橋最大的不同之處在于，富水河橋拱梁剛性連接，充分體現其整體性能，預應力不僅僅作為系桿，與橋面板形成有粘結預應力，可以很好的改善橋梁結構的受力狀況。

3.3 計算模型

富水河橋結構是整體式共剛架體系，邊拱、腹拱、主拱和橋面板彼此之間的連接均采用剛接，結構仿真分析采用橋梁博士軟件，設計結構有限元計算模型簡圖分別如圖3。

圖3 富水河橋有限元模型

富水河橋結構分析模型采用平面桿系模型，橋面板選用預應力砼單元，主拱、邊拱、腹拱及橋墩均選用鋼筋混凝土單元，兩端設為可動支座邊界，橋墩邊界為彈性支座，系數根據實際情況加以估計。混凝土的楊氏模量參考所用混凝土的參數，泊松比0.3。

3.4 受力分析

國內已有的幾座拱橋，由于橋面板(梁)為簡支結構或者連續梁結構，且系桿對其無任何作用效果，兩者是分開的體系，因此其內力及應力狀態即為通常的簡支或者連續梁結構受力特點。

本橋梁整體式橋面板在預應力作用效果下，其受力具有與之不同的特點。

通過仿真模擬計算，按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)進行了相應的荷載組合，分析富水河橋的受力特點。

3.4.1基本組合內力

富水河橋基本組合效應下的內力情況如圖4和圖5。

圖4 截面最大彎矩包絡圖/ kN·m

圖5 截面最小彎矩包絡圖/ kN·m

從橋梁結構基本組合的內力(彎矩)圖可以看出，結構內力的控制截面主要在幾個關鍵節點等特殊位置處。對于拱結構，邊拱主要在腹拱拱腳支撐位置處和邊拱與橋面板固結位置處截面彎矩比較大；腹拱主要是拱頂與橋面板連接處彎矩比較大，為腹拱結構薄弱點；主拱主要在與橋面板固結位置處截面彎矩較大。對于橋面板結構，在橋面板與腹拱、主拱的連接點之間的橋面板跨度的中間位置及與腹拱、邊拱的連接點之間的橋面板跨度的中間位置為最不利位置。因此對于這類橋型，這些截面受力是橋梁設計的控制截面。

3.4.2正常使用極限狀況應力

觀察整體式預應力橋面板在長期和短期效應組合下的應力狀況，如圖6～8。

圖6 長期效應組合最大正拉應力

圖7 短期效應組合最大正拉應力

圖8 短期效應組合最大主拉應力

從以上幾個應力圖看出，在拱與橋面板連接點處或者附近，橋面板上緣拉應力都比較大；在橋面板與腹拱、主拱的連接點之間的橋面板跨度的中間位置及與腹拱、邊拱的連接點之間的橋面板跨度的中間位置，橋面板下緣拉應力較大。但受橋面板預應力作用，其長期和短期組合拉應力均控制在較小的范圍內。比較圖6和圖7可以看出，短期效應組合下橋面板上下緣最小應力從圖形上看，相當于長期效應組合下應力圖向下移動若干距離，也就是各截面中性軸位置向上緣移動，并且短期效應組合下上下緣最小應力圖絕大部分分布在應力0MPa以下。從這一點可以看出橋面板應力狀態還具有一定優化空間。

3.5 裂縫

本橋梁中拱結構均為鋼筋混凝土結構，在正常使用極限狀態荷載組合II下的裂縫寬度如圖9(圖中裂縫為沿各拱拱的軸線分布給出)：

圖9 橋梁拱結構裂縫寬度

從圖9可以看出，各拱結構均在拱腳負彎矩處上緣裂縫較大，其他位置上緣基本上沒有出現裂縫；在主拱拱頂、腹拱支撐位置處，邊拱拱頂(即邊拱與橋面板固結點)、腹拱支撐位置處及腹拱拱頂下緣裂縫較大，尤其在邊拱拱頂和腹拱拱頂最為不利。

圖中裂縫的特點正好與上述內力特點相似，因此這些關鍵位置是拱結構的設計控制截面，設計時需嚴格保證這些位置的受力安全。

4 可優化改進之處及建議

(1)對于橋梁拱軸線的線形可做更深入的優化分析，特別是主拱和邊拱拱軸線的擬合和匹配，將能夠很好的改進和優化橋梁結構受力。

(2)從橋面板應力狀態上看，應力狀態可進一步優化完善；本設計橋梁橋面板高度可適當增加，在構造允許的情況下，預應力束可適當下移；或者可根據結構受力特點，預應力最好設置縱彎。

(3)橋面板與拱結構連接點的處理方式，可以采用不同的方式，各有優缺點。設計者可根據具體設計特點，或針對不同的地質條件選用合適的處理方法。

5 結 語

(1)整體式預應力葵花拱橋具有獨特的受力特點。整體式橋面板，避免了設置多道伸縮縫，大大改善了行車的舒適度；整體式橋面板預應力可控制調節改善其本身的受力狀態，并且同時也具有系桿的作用，能夠平衡拱腳水平推力；橋梁結構為拱式剛架體系，結構受力復雜，但是具有很好的整體性能；同時一定程度增加了結構施工技術難度。

(2)對于該橋梁結構，主拱、邊拱、腹拱與橋面板相互之間的固結點受力復雜；拱結構與橋面板連接點之間的橋面板跨中的受力比較不利，因此對于這類橋型，上述位置將是橋梁設計的控制截面。

(3)本橋結構優美，立體層次感強，整體性能好，可以得到一定程度的推廣使用。

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