葵花拱橋連拱效應分析

胡民逸 李道業 張文龍華南理工大學土木與交通學院

葵花拱橋連拱效應分析

胡民逸 李道業 張文龍
華南理工大學土木與交通學院

胡民逸，男，碩士，華南理工大學土木與交通學院，主要研究方向為大跨度橋梁。

為研究葵花拱橋受力與下部結構剛度之間的關系，以工程實例為背景，通過模擬樁土間的共同作用，建立考慮連拱效應的葵花拱橋有限元模型，并與按固定拱計算的模型進行對比。發現按連拱計算時能充分考慮上部結構的實際受力情況，同時使下部結構的造價更為經濟。該模型的建立及分析結果可為同類橋梁的設計提供參考。

葵花拱橋作為一種造型新穎、結構復雜的新型橋梁，因其外觀輕盈大方，形似一朵綻開的向日葵而得名。與傳統的連拱拱橋相比，葵花拱橋通過設置腹拱圈代替空腹式拱橋的立柱，使主拱在其拱腳到腹拱拱腳之間沒有力的直接作用。但同時，腹拱會對主拱產生巨大的水平推力，使主拱的受力形式由原來的近似均布荷載變為集中荷載作用，結構受力變得更加復雜。

由于葵花拱橋是我國橋梁建設者自主創造的新橋型，已建成數量較少，目前，對該橋型的研究主要集中在其主腹拱連接方式、不同拱軸線、矢跨比等對結構受力性能的影響，而對其連拱效應的研究較少。當考慮連拱作用時，墩和主腹拱的內力與上下部結構的剛度之比有著直接的關系。而前人研究也表明，只有當橋墩的抗推剛度是拱圈剛度的38倍以上時，多孔拱橋才不計連拱作用，可近似按固定拱計算。因此，本文以廣州某葵花拱橋為工程背景，對其連拱效應進行研究。

工程概況

廣州某葵花拱橋采用（40+4x58+40）m上承式混凝土葵花形拱橋，全長312m，全寬40.9m，分左右兩幅，由兩側的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成。兩側岸跨主拱與岸跨縱梁剛接形成曲梁，為一端簡支一端固結的預應力混凝土曲線箱梁。中間的四跨連拱為空腹式箱形拱，并在墩頂主拱上設腹拱，拱上建筑為預應力混凝土連續箱梁。主腹拱、拱腳及主橋預應力構件皆采用C60混凝土。腹拱在拱腳處設置主拱采用剛性連接，縱梁與主腹拱之間通過支座連接，屬于非整體式葵花拱橋。

為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強預應力鋼絞線系桿+群樁基礎”相結合的形式。預應力系桿設置于上部橋面縱梁箱內，預應力系桿貫穿連續縱梁，兩端錨固在岸跨梁中橫隔梁上。下部結構中單幅橋邊墩（61#和65#墩）基礎采用6根D250cm鉆孔灌注樁和3根D220cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為300cm；單幅橋次邊墩（62#和64#墩）基礎采用6根D220cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為250cm；單幅橋中墩（65#墩）基礎采用6根D220cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為250cm。承臺和樁基分別采用C45和C30混凝土。

有限元模型的建立

樁土共同作用的模擬

考慮連拱作用進行計算時，墩和主腹拱的內力按照結構的實際剛度比進行分配，上部結構剛度主要指拱圈的剛度，下部結構則主要體現為承臺頂剛度。對于連拱的計算，根據前人研究成果，主要有“按拱墩抗推剛度比簡化計算法”、“∑法”、“換算剛度法”等方法，但工作量仍然較大。為簡化計算，可通過有限元軟件模擬，即根據本橋的地質情況和《公路橋涵地基與基礎設計規范》中附錄P提供的m法，將地基土等效成一個個土彈簧作為邊界條件，同時將各樁以一米為單位等分成若干段，從而計算出地基土對樁的等效剛度。同時，建立如圖所示的樁基承臺的midas CIVIL模型，每段樁之間通過節點彈性支承進行連接，各樁頂通過彈性連接與承臺底相連，并在各承臺頂部施加六個方向的單位力或單位彎矩，最后可算得各承臺頂部（即各墩墩底）節點的等效剛度。

由有限元模型模擬樁土共同作用模擬得到的各墩墩底等效剛度如表1所示。

全橋有限元建模

通過有限元軟件midas CIVIL建立全橋有限元模型，全橋共劃分成23250個單元，其中主拱、腹拱、縱梁和主墩采用梁單元，體外系桿由桁架單元進行模擬。體外系桿通過節點彈性連接與岸跨縱梁相連，支座墊石通過彈性連接中的只受壓形式與主腹拱相連，而腹拱拱腳與主拱連接處則采用剛性連接。根據群樁基礎的模擬結果，將出口剛度以節點彈性支承的形式輸入到各墩節點，以此考慮葵花拱橋的連拱效應。同時，為進行比較，再建立一個承臺底固結的全橋模型。具體單元及節點劃分如圖2所示。

表1 各墩墩底節點等效剛度值

表2 考慮連拱作用及按固定拱計算時的主拱控制截面彎矩對比表

圖1 61#樁基承臺離散模型

圖2 全橋有限元模型

圖3 1/2橋主腹拱彎矩示意圖

恒載作用下連拱作用計算及分析

如圖3所示為考慮連拱效應時的1/2橋的主腹拱彎矩示意圖，各拱固結時的彎矩圖與下圖類似。由于恒載作用下縱梁內力較小，故此處不做研究。由圖3可以看出，葵花拱橋在主腹拱連接處及主拱拱腳彎矩達到極值，由于主拱與腹拱采用剛性連接，在連接處彎矩會發生突變，在表2中通過連接處上側和下側加以區分。

由表2表3分析可知，當采用固定拱計算時，主拱及腹拱圈控制截面的彎矩與按連拱計算時大部分有所減小，最多減小3416kN·m，而最大降幅為25.5%。這說明簡單將基礎固定，不考慮連拱作用而計算的拱圈內力要比拱圈實際承擔的內力小，據此設計的結構可能因安全儲備較小而發生開裂。

而對于下部結構，由于樁基承臺模型單獨建立，無法直接查看內力情況，但可通過比較全橋模型中各主墩墩底的水平反力及該處的彎矩和軸力來判斷下部結構的受力情況。

由表4和表5可以發現，按固定拱計算時，除了中跨63#墩外，其他各墩的水平反力和彎矩都要比考慮連拱效應時的大，而對軸力的影響較小。據此可判斷當按固定拱計算得到的內力與實際承受的內力相比偏大，設計的樁基承臺會有較大的富余量，增加工程造價。

表3 考慮連拱作用及按固定拱計算時的腹拱控制截面彎矩對比表

表4 承臺底水平反力對比表

表5 承臺底軸力和彎矩對比表

結語

綜上所述，葵花拱橋按連拱作用計算時，不僅會使上部結構受力更加合理，提高設計質量，還能減少下部結構的材料用量，提高經濟效益，因此，在設計過程中不能簡單按固定拱計算而忽視連拱作用的影響。