箱形上承式拱橋受力性能分析及設(shè)計(jì)參數(shù)研究

0 引言

上承式拱橋作為一種古老的結(jié)構(gòu)形式，其跨越能力大，對(duì)河道影響小，景觀效果佳，后期養(yǎng)護(hù)少，在山區(qū)公路建設(shè)中得到較為廣泛的應(yīng)用。上承式拱橋的拱圈通常采用石材或混凝土材料，是上承式拱橋的核心構(gòu)件，其受力模式以承受壓力為主[。為確定上承式拱橋的設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理，必須對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，以此判定不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)上承式拱橋受力狀況的影響程度。本文以某公路箱形上承式拱橋?yàn)槔?，研究其不同設(shè)計(jì)參數(shù)的受力狀態(tài)及拱圈變形趨勢(shì)，為同類(lèi)型拱橋的方案設(shè)計(jì)提供參考。

1工程概況

某山區(qū)二級(jí)公路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為雙向兩車(chē)道，屬于區(qū)域內(nèi)的主要集散公路。該公路工程項(xiàng)目路線在K26⁺187 位置跨越現(xiàn)狀河道，需要設(shè)計(jì)一座跨河橋?，F(xiàn)狀河道兩岸基巖裸露、地形陡峭，河床寬度約 60m ，河床范圍地形平坦。現(xiàn)狀行人通行主要依靠人行吊橋，車(chē)輛需繞行約 20km 方可到達(dá)河道對(duì)岸的村鎮(zhèn)，為改善周邊居民出行條件，急需修建這座跨河橋。

根據(jù)該河道行洪論證成果資料，河道常水位深約為6m，最高洪水位置時(shí)的河道水深約為 15m 。為減少橋梁在水中施工的措施費(fèi)、提升橋位景觀效果，同時(shí)為河道后期預(yù)留旅游開(kāi)發(fā)空間，該跨河橋設(shè)計(jì)為單孔跨度 70m 全長(zhǎng)86m的箱形上承式拱橋。橋梁整體寬度為 12m ，其中車(chē)行道的寬度為 8m ，兩側(cè)人行道的寬度為 2m 日

2拱橋數(shù)據(jù)收集和有限元模型建立

2.1收集拱橋數(shù)據(jù)

2.1.1拱橋總體布置

該箱形上承式拱橋的矢跨比為1/5，拱圈軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)取值為1.988，拱圈橫向?qū)挾葹?9m 采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，拱圈箱形截面的厚度為1.5m，頂?shù)装宓暮穸葹?0.3m 。為減輕拱上結(jié)構(gòu)質(zhì)量，設(shè)置了雙排排架式立柱，兩排立柱頂部設(shè)置了蓋梁，橋面板采用9跨預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)。拱座基礎(chǔ)采用明挖施工方法，其嵌入中風(fēng)化基巖不小于 2m ，拱座結(jié)構(gòu)為C40鋼筋混凝土。拱

圈采用纜索吊裝施工方法，拱上立柱采用支模現(xiàn)澆施工方法，橋面板采用預(yù)制吊裝施工方法。箱形上承式拱橋立面布置如圖1所示。

圖1箱形上承式拱橋立面布置

2.1.2 施工階段劃分

該箱形上承式拱橋主體結(jié)構(gòu)采用MidasCivi1有限元分析軟件。全橋主要采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，按照該拱橋的施工工藝劃分為基礎(chǔ)和拱圈施工、拱上立柱施工、橋面板施工、橋面鋪裝及人行道施工等4個(gè)施工階段。這4個(gè)施工階段完工后，經(jīng)驗(yàn)收合格后即可通車(chē)運(yùn)營(yíng)。

拱圈與立柱之間采用剛性連接，橋面設(shè)置橋面板承載車(chē)輛和人群[2]?？紤]到河道的常水位較高，橋位區(qū)周邊地形起伏較大，地質(zhì)情況較好等因素，拱圈施工采用桁架式鋼拱架現(xiàn)澆施工方法，具體包括采用纜索吊逐次拼裝鋼拱架、綁扎鋼筋、澆筑拱圈等。

2.1.3拱橋計(jì)算參數(shù)

拱橋自重計(jì)算參數(shù)如下：混凝土容重取值為 26kN/m³ 鋼材容重取值為 78.5kN/m³ ，瀝青混凝土容重取值為23kN/m³ ；溫度梯度荷載按照J(rèn)TGD60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值；車(chē)輛荷載采用公路一I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，人群荷載采用 5.0kN/m² 。

2.2建立拱橋有限元模型

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立了9跨拱橋整體結(jié)構(gòu)有限元模型。全橋合計(jì)186個(gè)節(jié)點(diǎn)，181個(gè)單元。

3拱橋受力性能分析及設(shè)計(jì)參數(shù)研究

3.1拱圈不同矢跨比的受力性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.1拱圈截面受力變化情況

矢跨比是拱圈設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，適當(dāng)?shù)氖缚绫瓤墒乖O(shè)計(jì)的拱圈軸線更加合理，可減小拱圈彎矩，充分發(fā)揮拱圈受壓能力[3]。目前國(guó)內(nèi)拱橋常用的矢跨比主要集中在 1/8～1/5 之間，在不同矢跨比條件下，拱圈受力狀態(tài)不同，產(chǎn)生的位移也不同。本文選取5組矢跨比，分析不同矢跨比對(duì)拱圈不同位置截面的受力變化趨勢(shì)。拱圈上、下緣截面受力計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

表1拱圈上緣截面受力計(jì)算結(jié)果 單位：10kN·m

表2拱圈下緣截面受力計(jì)算結(jié)果 單位：10kN·m

由表1和表2可知，拱圈上、下緣受力隨著矢跨比的增大而減小，拱圈受力主要與拱圈內(nèi)力相關(guān)；隨著矢跨比增大，拱軸線變陡，水平力變小，導(dǎo)致拱圈上、下緣軸力變小，拱圈所受壓力隨之變小。當(dāng)矢跨比由 1/8 變?yōu)?1/5 時(shí)，拱圈截面下緣受力明顯減小。

3.1.2拱頂截面位移變形情況

在恒載、活荷載及溫度共同作用下，在不同矢跨比條件下，拱頂截面產(chǎn)生的位移變形如表3所示。由表3可知，拱頂產(chǎn)生的位移量隨著矢跨比的增大而減小。拱越坦，拱頂產(chǎn)生的位移量越大。當(dāng)矢跨比由 1/5 變化至1/8時(shí)，拱頂截面產(chǎn)生的位移量增加了 44% 。可見(jiàn)矢跨比對(duì)拱圈截面位移的影響非常大。

表3拱頂截面位移變形情況

3.1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

由以上分析可知，不同矢跨比對(duì)拱圈截面受力和位移的影響很大，合理的矢跨比應(yīng)當(dāng)在 1/6～1/5 之間。

3.2拱圈不同上部結(jié)構(gòu)受力性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1建立7跨拱上結(jié)構(gòu)有限元模型

拱上結(jié)構(gòu)的不同布置，將影響拱圈的內(nèi)力分布。為對(duì)比分析拱上結(jié)構(gòu)的不同布置對(duì)拱圈受力狀態(tài)的影響，建立一個(gè)不同于設(shè)計(jì)方案9跨拱上結(jié)構(gòu)的7跨拱上結(jié)構(gòu)有限元模型，全橋合計(jì)163個(gè)節(jié)點(diǎn)、158個(gè)單元。7跨拱上結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

圖27跨拱上結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2.2拱上結(jié)構(gòu)9跨與7跨時(shí)拱圈受力分析

通過(guò)有限元分析，得出該拱橋9跨拱上結(jié)構(gòu)與7跨拱上結(jié)構(gòu)條件下對(duì)應(yīng)的拱圈受力計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，拱上結(jié)構(gòu)為9跨時(shí)，作用在拱圈上的內(nèi)力分布更加均勻，拱圈截面受力也出現(xiàn)一定程度的減小。7跨拱上結(jié)構(gòu)與9跨拱上結(jié)構(gòu)相比，對(duì)應(yīng)的拱圈截面受力增加了約 30% 。

表49跨與7跨時(shí)拱圈受力計(jì)算結(jié)果 單位： 10³kN?m

3.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

由以上分析可知，合理的拱上結(jié)構(gòu)布置可改善拱圈內(nèi)力。但考慮到景觀效果、施工經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)于70m跨度的拱橋，拱上結(jié)構(gòu)的跨度以8～10m為最佳。

3.3拱圈不同截面高度受力性能及設(shè)計(jì)參數(shù)3.3.1拱圈不同截面高度受力計(jì)算與分析

拱圈截面高度也是拱圈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其直接影響拱圈受力狀態(tài)。本文依托該拱橋工程項(xiàng)目，選取3組拱圈截面高度，分析在各項(xiàng)荷載作用下拱圈截面的受力情況。通過(guò)有限元分析，得出拱圈不同截面高度上、下緣受力計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。

表5拱圈不同截面高度上緣受力計(jì)算結(jié)果單位：10kN·m

由表5和表6可知，拱圈上緣和下緣受力隨著拱圈截面高度增加均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)拱圈截面高度從1.3m增加到1.7m時(shí)，拱圈上緣截面受力減小約 25% 。增加拱圈截面高度，可使拱圈受力明顯降低。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性等多種因素，拱圈截面高度采用1.5m比較合適。

3.3.2拱圈不同截面高度對(duì)拱圈位移的影響

在恒載、活荷載及溫度共同作用下，拱圈不同截面高度對(duì)拱頂截面位移量具有一定影響。在拱圈不同截面高度條件下，拱頂截面位移量計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7拱頂截面位移量計(jì)算結(jié)果

由表7可知，拱圈截面高度對(duì)拱圈位移的影響較大。隨著拱圈高度的增加，拱頂截面位移量逐漸減小。拱圈截面高度為1.7m時(shí)，拱頂截面位移量比拱圈厚度為1.3m時(shí)減小了約 37.5% 。合理的拱圈厚度，是在確保拱圈強(qiáng)度的情況下，使拱圈位移值趨于合理。

表6拱圈不同截面高度下緣受力計(jì)算結(jié)果單位： 10³kN?m

3.3.3 分析結(jié)果

由以上分析可知，增加拱圈截面高度，對(duì)拱圈截面的受力及拱頂截面位移控制均較為有利，但增加拱圈截面高度會(huì)增加拱圈主體結(jié)構(gòu)混凝土用量，使其經(jīng)濟(jì)性降低。綜合考慮截面受力及位移影響，將該拱橋拱圈截面高度設(shè)計(jì)為1.5m比較合理。

3.4拱圈不同板厚的受力性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

將箱形截面拱圈的高度設(shè)定為 1.5m ，拱圈頂板和底板的厚度從0.2m增加至0.5m時(shí)，拱圈截面上緣、下緣受力計(jì)算結(jié)果如表8、表9所示。

表8拱圈上緣截面受力計(jì)算結(jié)果 單位：103kN·m

由表8和表9可知，在拱圈高度確定條件下，隨著拱圈頂板和底板厚度的增加，拱圈截面受力逐漸減小；當(dāng)拱圈截面厚度逐漸增加到0.5m過(guò)程中，拱圈截面受力變化趨緩。這說(shuō)明拱圈頂板和底板的厚度在 0.3m 左右時(shí)，可使拱圈截面的安全性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

3.5拱座基礎(chǔ)的受力性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

拱橋結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的水平推力，拱座基礎(chǔ)存在較大彎矩。拱座基礎(chǔ)是拱圈與地基之間的重要連接節(jié)點(diǎn)，直接關(guān)系拱橋的整體穩(wěn)定性，因此對(duì)拱座基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析非常必要。通過(guò)有限元分析計(jì)算，拱座豎向力為19610.5kN ，拱座水平力為 24148.0kN ，拱座基礎(chǔ)的彎矩為 19050.5kN?m 。根據(jù)該拱橋工程項(xiàng)目地質(zhì)勘測(cè)成果資料，拱座基礎(chǔ)位于中風(fēng)化基巖處，其基底摩擦系數(shù) μ 為0.6，拱座基礎(chǔ)縱向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 8m ，拱座基礎(chǔ)抗滑移系數(shù)為2.87，可滿足規(guī)范要求。拱座基礎(chǔ)底部處于偏心受壓狀態(tài)，其承擔(dān)的最大壓應(yīng)力值為 658.9kPa ，最小壓應(yīng)力值為 253.2kPa ，均小于巖石地基承載力。

4結(jié)論

本文依托某山區(qū)二級(jí)公路箱形上承式拱橋工程項(xiàng)目，從該拱橋的矢跨比、拱上結(jié)構(gòu)布置、拱圈截面高度及拱圈板厚等方面深入進(jìn)行了拱圈受力影響分析，由此得出以下主要結(jié)論：

1）不同矢跨比對(duì)拱圈截面受力和位移的影響很大，合理的矢跨比應(yīng)當(dāng)在 1/5～1/6 之間。2）拱上結(jié)構(gòu)布置對(duì)拱圈內(nèi)力分布影響較大，拱上立柱越多，作用在拱圈上的荷載越分散，拱圈內(nèi)力越小，70m跨度拱橋的拱上結(jié)構(gòu)的跨度以8～10m為最佳。3）拱圈截面高度、拱圈板厚對(duì)拱圈截面受力影響較大，在特定的矢跨比條件下，拱圈截面高度增加，拱圈截面應(yīng)力就會(huì)減小，考慮相關(guān)因素，70m跨度拱橋的拱圈截面高度設(shè)計(jì)為1.5m比較合理。

參考文獻(xiàn)

[1]劉迎春，薛素鐸，上官興.上承式拱橋結(jié)構(gòu)形式變化綜述[J].公路，2012，57（3）：50-56.

[2]雷體生，錢(qián)永久.小矢跨比上承式混凝土連拱拱橋設(shè)計(jì)方案優(yōu)化[J].公路，2021（11）：149-154.

[3]譚亞杰.鋼筋混凝土拱橋參數(shù)敏感性分析[J].廣東土木與建筑，2022，29（2）：70-72.