淺析上承式葵花形拱橋設(shè)計(jì)

摘要：上承式混凝土葵花形拱橋，主橋由兩側(cè)的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，主橋全長(zhǎng)312m。兩側(cè)岸跨主拱與岸跨縱梁剛接形成曲梁，為一端簡(jiǎn)支一端固結(jié)的預(yù)應(yīng)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(shè)腹拱;拱上建筑為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預(yù)應(yīng)力砼預(yù)制斜管樁”相結(jié)合來(lái)抵抗水平推力。針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)建立空間有限元模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明：該橋各主要構(gòu)件受力及橋梁剛度、整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。該橋的成功建設(shè)可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)和施工提供范例。

關(guān)鍵詞：葵花形拱橋;箱梁;剛度;橋梁設(shè)計(jì)

一、工程概況

本項(xiàng)目位于珠江三角洲平原，沿線軟土廣泛分布。由于軟土地基承載性能較差，為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預(yù)應(yīng)力砼預(yù)制斜管樁”相結(jié)合來(lái)抵抗水平推力，管樁與橋墩豎向軸線夾角為12度;預(yù)應(yīng)力系桿設(shè)置于上部橋面縱梁箱內(nèi)，預(yù)應(yīng)力系桿貫穿主橋全橋，兩端錨固在岸跨梁中橫隔梁上。

二、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)：城市主干道。

設(shè)計(jì)荷載：城市A級(jí)。

設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

通航標(biāo)準(zhǔn)：通航等級(jí)：VI級(jí)（3等）， 通航凈空為BxH =2x38mx6m。

三、主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）總體布置

主橋由兩側(cè)的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，全長(zhǎng)312m，橋梁全寬40.9m，分為左右兩幅橋，單幅橋?qū)?9.85米。

（二）縱梁

縱梁全長(zhǎng)共272m，為23跨預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室的連續(xù)箱梁，跨徑組合為：（16.5+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+16.5）m。

（三）岸跨拱梁

岸跨主拱采用四次拋物線為拱軸線，為單箱雙室等截面箱型拱，截面高1.6m，矢跨比為1/6。

（四）主跨主拱

主拱拱軸線采用四次拋物線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.6m，拱頂處截面高1.2m，矢跨比為1/7。

（五）腹拱

腹拱拱軸線采用橢圓線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.1m，拱頂處截面高0.8m。

（六）體外預(yù)應(yīng)力系桿

體外預(yù)應(yīng)力系桿位于連續(xù)縱梁及岸跨梁箱內(nèi)，錨固于橋梁兩端岸跨梁中橫梁處，鋼絞線系桿采用XGK15-37B可換索式成品索體，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa，一幅橋設(shè)置8束，全橋共設(shè)置16束。

（七）下部結(jié)構(gòu)

墩身采用矩形截面實(shí)體墩，側(cè)立面采用圓倒角接順主拱弧線，墩身橫橋向與主拱同寬為11.35m（含邊腹板外側(cè)各0.25m長(zhǎng)的裝飾凹槽）。橋邊墩基礎(chǔ)采用6根D250cm鉆孔灌注樁和8根D100cm預(yù)制管樁，預(yù)制管樁與豎向軸線夾角為12度，承臺(tái)厚度為250cm;橋次邊墩和中墩基礎(chǔ)采用6根D200cm鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度為250cm。

四、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

（一）模型建立

采用計(jì)算軟件MIDAS-Civil。取半幅橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

主、腹拱、縱梁、橋墩及承臺(tái)均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散;體外預(yù)應(yīng)力系桿采用索單元施加初拉力進(jìn)行模擬;樁基礎(chǔ)及高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力斜樁聯(lián)合作用通過(guò)計(jì)算群樁作用下承臺(tái)底的等效出口剛度，并將此剛度值施加于承臺(tái)底單元節(jié)點(diǎn);體外預(yù)應(yīng)力系桿與岸跨縱梁及縱梁間的定位及轉(zhuǎn)向通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的彈性連接體系實(shí)現(xiàn);拱上縱梁與拱間連接通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的彈性連接體系實(shí)現(xiàn)。

（二）參數(shù)取值及荷載組合

考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)，計(jì)算荷載有：恒載、汽車(chē)荷載、人群荷載、溫度荷載。參數(shù)取值如下：

1、恒載：主梁C60混凝土重度取26kN/m3。

2、預(yù)應(yīng)力：預(yù)應(yīng)力鋼束采用?s15.2低松弛鋼絞線，fpk =1860 MPa，設(shè)計(jì)錨下張拉控制應(yīng)力為0.75fpk =1395MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁摩擦系數(shù)μ 取0.17，管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)k 取0.0015m-1，張拉端錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值取6mm。

3、混凝土收縮、徐變：年平均相對(duì)濕度取70%。

4、溫度荷載：整體升、降溫按升溫20℃、降溫20℃計(jì)算。主梁考慮溫度梯度，取正溫度梯度10 ℃、負(fù)溫度梯度10℃計(jì)算。

（三）主要分析結(jié)果

1、岸跨拱梁

岸跨拱梁短期效應(yīng)組合上緣最大拉應(yīng)力為1.074MPa，下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力;短期效應(yīng)組合最大主拉應(yīng)力為1.07MPa;岸跨拱梁長(zhǎng)期效應(yīng)組合最大主壓應(yīng)力為14.54MPa，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內(nèi)力值均不超過(guò)抗力值，均滿足規(guī)范要求。

2、拱圈

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，鋼筋混凝土構(gòu)件II類(lèi)環(huán)境最大裂縫限值為0.2mm。主拱單元最大裂縫為0.164mm，腹拱最大裂縫寬度為0.13mm，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內(nèi)力值均不超過(guò)抗力值，均滿足規(guī)范要求。

3、縱梁

縱梁短期效應(yīng)組合上緣最大拉應(yīng)力為1.234MPa，下緣最大拉應(yīng)力為0.732MPa，短期效應(yīng)組合最大主拉應(yīng)力為1.235MPa，長(zhǎng)期效應(yīng)組合最大主壓應(yīng)力為10.4MPa，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內(nèi)力值均不超過(guò)抗力值，滿足規(guī)范要求。

五、結(jié)語(yǔ)：

拱橋因其優(yōu)美的造型及經(jīng)濟(jì)性，是橋梁設(shè)計(jì)常選的橋型，但拱橋是有推力的超靜定結(jié)構(gòu)，特別是矢跨比較小的鋼筋混凝土上承式拱，拱腳有很大的水平推力，在軟土地基上建拱的技術(shù)難度很高。本橋采用“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預(yù)應(yīng)力砼預(yù)制斜管樁”相結(jié)合來(lái)抵抗水平推力，取得了良好的效果，本工程的順利施工可供今后類(lèi)似工程參考借鑒。

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