葵形拱橋受力特性及優(yōu)化分析

廖宸鋒

摘要：葵形拱橋是一種新興的上承式拱橋，其結(jié)構(gòu)受力有別于常規(guī)的上承式拱橋。文章以某大跨徑葵形拱橋?yàn)槔瑢?duì)其受力特性進(jìn)行分析，并依據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化分析，可為同類橋型設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：葵形拱橋;受力特性;優(yōu)化分析

0 引言

葵形拱橋是近20年才出現(xiàn)的一種新穎的上承式拱橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為取消立柱或斜撐，結(jié)構(gòu)主要由主拱、腹拱組成，形成大拱疊加小拱的優(yōu)美外型。由于其造型輕巧、優(yōu)美，美學(xué)價(jià)值高，近年來(lái)得到了一定的應(yīng)用。葵形拱橋因拱上建筑傳力點(diǎn)的減少以及集中，結(jié)構(gòu)受力較一般上承式拱橋更復(fù)雜。

本文以某大跨徑葵形拱橋?yàn)槔治龃祟悩蛐偷氖芰μ匦约皟?yōu)化思路，為以后同類橋型設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為城市主干路上的橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h，汽車荷載為城-A級(jí)。

大橋橋型為葵形鋼筋混凝土箱形板拱橋，全長(zhǎng)128.103 m，橋梁總寬26.5 m，拱橋凈跨徑L0=90 m，凈矢高f0=13.50 m，凈矢跨比f(wàn)0/L0=1/6.666 7，主拱圈拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.988。拱圈高1.5 m，全寬25 m，橫向共分為14片拱肋，拱肋合龍后通過現(xiàn)澆縱縫形成整體板拱。見圖1。

主拱跨中34 m范圍為實(shí)腹段，實(shí)腹段兩側(cè)接有拱上箱梁和腹拱。

拱上箱梁為1孔23.5 m簡(jiǎn)支箱梁，簡(jiǎn)支箱梁一端支撐在腹拱上，另一端通過實(shí)腹段平臺(tái)支撐在主拱圈上。腹拱一端與主拱圈固結(jié)，另一端支撐在橋臺(tái)處。

2 結(jié)構(gòu)受力特性分析

2.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立空間桿系分析模型。全橋共計(jì)624個(gè)節(jié)點(diǎn)，680個(gè)單元，主拱拱腳采用固結(jié)的形式，腹拱與主拱連接處采用共節(jié)點(diǎn)方式，腹拱與拱上箱梁、主拱實(shí)腹段與拱上箱梁采用彈性連接的邊界形式（見圖2）。

2.2 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)全橋整體靜力計(jì)算，在基本組合作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示。

由彎矩圖可知，拱結(jié)構(gòu)彎矩關(guān)鍵截面為主腹拱節(jié)點(diǎn)處腹拱拱腳截面、主腹拱節(jié)點(diǎn)處主拱截面、腹拱拱頂截面，彎矩分別為120 705（kN·m）、110 213（kN·m）及108 129（kN·m），而主拱拱腳處截面彎矩為62 436（kN·m）。控制截面為主腹拱節(jié)點(diǎn)處腹拱拱腳截面，其彎矩約為主拱拱腳處截面彎矩的1.93倍，主拱拱腳截面與拱頂截面彎矩級(jí)數(shù)相當(dāng)。

由剪力圖可知，拱結(jié)構(gòu)剪力控制截面為主腹拱節(jié)點(diǎn)處腹拱拱腳截面，其次，腹拱拱頂截面剪力也較大。

綜上所述，本項(xiàng)目葵形拱橋的受力與常規(guī)的上承式拱橋有所區(qū)別，其控制截面不在主拱拱腳或拱頂，而是在主腹拱連接節(jié)點(diǎn)處，且腹拱是控制結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件。

3 腹拱設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化分析方案

如前所述，腹拱的受力關(guān)系著整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，本文重點(diǎn)針對(duì)腹拱的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行分析，以確保結(jié)構(gòu)安全。分析采用以下3種方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

方案一：僅在腹拱跨中下緣布置42束15-12的鋼束（見圖6）。

方案二：在腹拱跨中下緣布置42束15-12的鋼束，并在腹拱斜腿的上緣布置68束15-5的鋼束（見下頁(yè)圖7）。

方案三：在腹拱上下緣布置通長(zhǎng)的42束15-12的預(yù)應(yīng)力鋼束（見下頁(yè)圖8）。

3.2 優(yōu)化分析計(jì)算結(jié)果

受篇幅所限，以下僅給出3種方案在最不利荷載組合下，最不利截面主腹拱節(jié)點(diǎn)處腹拱截面的主要計(jì)算結(jié)果（見表1）。

由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）三種布置方案的計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。

（2）方案一雖然采用強(qiáng)配筋的方式也能滿足0.2 mm的裂縫控制要求，但其沒有設(shè)置上緣預(yù)應(yīng)力鋼束，上緣拉應(yīng)力較大，裂縫寬度接近限值。

（3）方案二在腹拱根部上緣增設(shè)了預(yù)應(yīng)力鋼束，短期組合下的彎矩比方案一小，裂縫寬度也相對(duì)較小，拉應(yīng)力也較小。

（4）由于預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力效應(yīng)，雖然方案二在基本組合下腹拱拱腳彎矩較方案一大，但其強(qiáng)度仍有足夠富裕。

（5）采用方案二和方案三均可減小腹拱拱腳上緣的裂縫寬度，其受力優(yōu)化的性能也基本相當(dāng)，并可避免束筋的焊接難題。雖然方案三略優(yōu)于方案二，但其鋼束所用波紋管直徑較大，需要增大主拱圈縱筋的間距，不利于構(gòu)造。

綜合考慮施工、耐久性等因素，不推薦采用方案一的形式。綜合比較各因素后，本項(xiàng)目采用方案二作為實(shí)施方案。

4 結(jié)語(yǔ)

通過該橋的分析可得出以下結(jié)論：

（1）葵形拱橋結(jié)構(gòu)受力有別于常規(guī)上承式拱橋，其受力不利截面在主腹拱節(jié)點(diǎn)處，腹拱是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵截面。

（2）葵形拱橋在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注裂縫的控制計(jì)算，尤其是主腹拱連接節(jié)點(diǎn)處的主拱截面以及腹拱拱頂、拱腳截面的驗(yàn)算。

（3）葵形拱橋腹拱應(yīng)根據(jù)受力情況設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，以改善整體結(jié)構(gòu)的受力及控制結(jié)構(gòu)裂縫寬度。

（4）腹拱設(shè)計(jì)中進(jìn)行多方案的優(yōu)化分析比選是必要的，并應(yīng)結(jié)合計(jì)算結(jié)果及其他因素確定最終方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵旭東.橋梁工程（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]陳萬(wàn)里，王 璇.多跨葵型拱橋設(shè)計(jì)[J].交通世界，2017（16）：124-125.

[3]楊昌樹，鐘蜀暉.葵形拱橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].工程與試驗(yàn)，2012（1）：1-4，30.

[4]王新生，辛玉升.鋼筋混凝土葵花拱橋有限元分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2009（1）：129-132.