葵花拱橋腹拱結構設計參數的選取

汪學明，鄧紅梅

（安徽宏泰交通工程設計研究院有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

拱橋[2-3]作為一種人類應用較早且較廣泛的橋型之一，具有“歷史悠久、結構堅固、造型美觀”等特點。在拱橋早期發展過程中，以石拱橋、木拱橋為主要類型，隨著工業技術的迅猛發展，有別于傳統材料、傳統體系的拱橋也得到迅速發展，尤以混凝土結構、鋼結構以及鋼混組合結構的拱橋最為突出，在結構材料性能大為改善的同時，橋型體系也有了各式各樣的創新與突破，在滿足使用功能的前提下，人們對于橋梁美學的要求也越來越高，景觀橋應運而生。

本文所闡述的葵花拱橋是一種新型拱橋，是力與美的一種完美結合。采用曲線腹拱代替原有主拱拱上立柱或立墻，葵花拱橋從視覺上給人一種主腹拱交錯重疊的層次感，并因結構造型形似向日葵花瓣而得名[4-5]。但是將原來的類似均勻分布的多個立柱更換為腹拱，即其對主拱的作用力由近似均布多個豎向力轉變為僅作用于腹拱拱腳處的單個集中力，同時腹拱對主拱產生一水平推力作用，使得結構的受力形式變得復雜[6-7]。本文以一座五跨葵花拱橋為例，研究分析腹拱結構設計參數的選取對于橋梁結構內力的影響，從而合理的選取腹拱設計參數。

2 工程概況

本文以某城市郊區一座五跨葵花拱橋為工程實例，該橋所在道路為二級公路，設計行車速度為60km/h。該橋由兩側的岸跨拱梁和中間三跨連拱組成，跨徑組合為（17+3×30+17）m，橋梁全長 130m，橋梁整幅全寬15m。由于橋梁主跨跨徑較小，所以橋梁采用鋼筋混凝土結構，主、腹拱圈以及橋面板均采用實心板，主、腹拱圈拱軸線[8]均采用圓曲線，主拱矢跨比[9,10]為1/5.8，主、腹拱圈均為無鉸拱，主拱拱腳與橋墩固結，腹拱拱腳與主拱拱圈固結。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混凝土板梁，中間的三跨連拱在墩頂主拱上設腹拱，并在主、腹拱拱頂合適位置設置支座，拱上建筑為混凝土連續板梁（以下簡稱連續縱梁），連續縱梁放置于拱上支座上。

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”相結合來抵抗水平推力。預應力系桿設置于上部橋面縱梁內，預應力系桿貫穿連續縱梁，兩端錨固在岸跨梁梁端。

橋梁總體布置圖如圖1所示，連續縱梁及拱上支座布置圖如圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 連續縱梁及拱上支座布置圖

本文采用有限元軟件midas civil 2015對其進行模擬分析研究腹拱結構設計參數的選取對于橋梁結構內力的影響。有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

3 計算分析

本文主要從矢跨比和跨徑兩個影響因素來分析研究腹拱結構設計參數對自身結構內力以及主拱圈內力的影響規律。圖4所示為相同矢跨比（ξ=f/L=1/5.4）下，三種不同腹拱跨徑（L1=11.5m、L2=10.0m、L3=8.5m）示意圖，圖5所示為相同腹拱跨徑（L=10.0m）下，三種不同矢跨比（ξ1=1/4.1、ξ2=1/5.4、ξ3=1/6.5）示意圖。

圖4 相同矢跨比不同跨徑示意圖

圖5 相同跨徑不同矢跨比示意圖

3.1 跨徑對結構內力影響規律分析

由于橋梁結構為對稱結構，因此圖表數據結果僅顯示結構的一半（本次僅研究分析主、腹拱圈的受力情況，故圖表結果中未顯示橋面連續縱梁的受力情況）。

①L1=8.5m

圖6 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（L1=8.5m）

圖7 1/2結構主、腹拱圈彎矩圖（L1=8.5m）

②L2=10.0m

圖8 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（L2=10.0m）

圖9 1/2結構主、腹拱圈彎矩圖（L2=10.0m）

③L3=11.5m

圖10 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（L3=11.5m）

圖11 1/2結構主、腹圈拱彎矩圖（L3=11.5m）

由圖6、圖8、圖10可看出，隨著腹拱跨徑的增大，在拱腳、主腹拱交接處、拱圈1/4處以及拱頂等重要節點處，除邊主拱圈軸力無明顯變化外，其余主、腹拱圈的軸力都呈明顯增大趨勢；由圖7、圖9、圖11可看出，隨著腹拱跨徑的增大，邊主拱1/4處彎矩由負彎矩漸變至正彎矩，主腹拱交接處正彎矩遞減，拱腳處負彎矩值遞增，主拱1各節點處彎矩值遞增，主拱2拱腳和主腹拱交接處彎矩值遞增，1/4處彎矩值由負彎矩漸變至正彎矩，拱頂處彎矩值由正彎矩遞減至負彎矩，腹拱1各節點處彎矩值遞減，腹拱2拱腳和拱頂處彎矩值遞增，1/4處彎矩值遞減。由此可見，隨著腹拱跨徑的增大，主腹拱圈軸力和主拱圈彎矩呈現整體增大趨勢（部分節點除外），腹拱圈彎矩呈整體減小趨勢（部分節點除外），故腹拱跨徑的選擇應結合軸力和彎矩兩方面來考慮，選取最優值。

3.2 矢跨比對結構內力影響規律分析

①ξ1=f/L=1/4.1

圖12 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（ξ1=1/4.1）

圖13 1/2結構主、腹拱圈彎矩圖（ξ1=1/4.1）

②ξ2=f/L=1/5.4

圖14 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（ξ2=1/5.4）

圖15 1/2結構主、腹拱圈彎矩圖（ξ2=1/5.4）

③ξ3=f/L=6.5

圖16 1/2結構主、腹拱圈軸力圖（ξ3=1/6.5）

圖17 1/2結構主、腹拱圈彎矩圖（ξ3=1/6.5）

由圖12、圖14、圖16可看出，隨著矢跨比的減小，在拱腳、主腹拱交接處、拱圈1/4處以及拱頂等重要節點處，除主拱拱腳處軸力遞減外，其余主、腹拱圈的軸力都呈增大趨勢；由圖13、圖15、圖17可看出，隨著矢跨比的減小，除主拱2和腹拱1的拱頂、拱腳處彎矩值呈遞減趨勢，其余主、腹拱圈的彎矩值都呈遞增趨勢。由此可見，隨著矢跨比的減小，主腹拱圈軸力和彎矩呈現整體增大趨勢（部分節點除外），故腹拱矢跨比的選擇應結合軸力和彎矩兩方面來考慮，選取最優值。

4 小結

本文以某城市郊區一座五跨葵花拱橋為工程背景，采用有限元軟件進行建模分析研究葵花拱橋腹拱跨徑和矢跨比對橋梁結構內力的影響規律。研究表明，腹拱跨徑和矢跨比在一定范圍內變化對葵花拱橋主、腹拱圈內力的影響呈規律性變化。在實際的工程應用中，由于目標函數的復雜性以及影響參數的多樣性，我們常常綜合各項影響因素選取最優設計參數。本文的研究結果可為今后類似工程問題提供參考依據。