整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋受力特點(diǎn)

金文成， 趙弘堯， 白金增， 秦 波

(1.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院； b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

葵花拱橋是一種新的橋型。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)美，層次感強(qiáng)。在國外未見有此種橋型的相關(guān)報導(dǎo)，在國內(nèi)近幾年已有幾個工程實(shí)例。例如，桂林新解放橋，江山迎賓大橋等。桂林新解放大橋2001年9月28日正式通車，全橋長283.6 m，寬45 m，為三跨空腹式連拱結(jié)構(gòu)與兩岸側(cè)的曲梁組合體，跨徑組合為(41.54+61+72+6l+41.54) m，設(shè)置體外索貫穿全橋[1]。江山迎賓大橋2007建成通車，橋梁全長305.5 m，其中主橋?yàn)?55+90+55) m上承式系桿葵花拱橋[2，3]。目前國內(nèi)此種橋型均為非整體式系桿葵花拱橋，尚無整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋。

1 整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋特點(diǎn)

整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋與非整體式系桿葵花拱橋在結(jié)構(gòu)和受力上有所不同，如圖1示意圖。以下通過兩者的對比說明其特點(diǎn)。

圖1 兩種橋型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比示意圖

1.1 非整體式系桿葵花拱橋

(1)橋面板(梁)不連續(xù)，由簡支板或者幾聯(lián)連續(xù)梁組成[1～4]。通過在邊拱、腹拱及主拱之間架設(shè)簡支板或者連續(xù)梁，梁板與拱之間設(shè)支座連接；橋梁處兩橋臺外，可能存在多處伸縮縫。

(2)預(yù)應(yīng)力束為體外無粘結(jié)索，稱為系桿，其預(yù)應(yīng)力比較低。體外索的張拉力通過岸跨粱傳遞到拱腳來平衡部分水平力[1]，對橋面板或主梁結(jié)構(gòu)無作用效果。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)受力更簡單，但整體性能較差。

(4)施工相對來說較簡單方便。

1.2 整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋

(1)全橋橋面板(主梁)為整體式的，避免了設(shè)置多道伸縮縫，大大改善了行車的舒適度。

(2)整體式橋面板(主梁)內(nèi)布置有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力取值比系桿更高，控制張拉預(yù)應(yīng)力可取0.75fpk，既能起到系桿的作用，平衡結(jié)構(gòu)的水平推力[5～7]，同時可以很好的改善梁的受彎性能[8～10]。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)為拱式剛架體系，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，但是具有很好的整體性能。

(4)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)難度更大。

“湖北省應(yīng)城市城南大道延長線工程”中，應(yīng)城市富水河橋(已竣工)就采用了這種橋型。本文采用商業(yè)有限元軟件對這種橋型做力學(xué)分析，進(jìn)一步探索其受力特點(diǎn)。

2 工程概況

應(yīng)城市富水河橋位于應(yīng)城市城南區(qū)，跨越應(yīng)城市富水河，東接應(yīng)城市解放路，西接肖灣路，是應(yīng)城市城區(qū)路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。全橋長73.669 m，橋?qū)?4 m，主結(jié)構(gòu)采用拱式剛架體系，跨徑布置為(17.137+32.274+17.137) m，邊中跨比為0.53。其中，主孔拱軸線半徑27.30 m，凈跨30 m，凈高4.55 m；邊跨結(jié)構(gòu)底緣線為半徑27.30 m順接直線。主跨與邊跨之間設(shè)腹拱，腹拱為拱軸線半徑10.09 m的圓曲線。橋型總體布置圖如圖2。

圖 2 富水河橋總體布置/ cm

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 預(yù)應(yīng)力束設(shè)置

本橋橋面板高度為50 cm，橋面板縱向預(yù)應(yīng)力沿橫向均勻布置11束Φs15.2鋼絞線，預(yù)應(yīng)力束中心距橋面板下邊緣10 cm，沿橋直線布置。張拉控制應(yīng)力為1395 MPa 。

3.2 受力特點(diǎn)

富水河橋與國內(nèi)現(xiàn)有幾座葵花拱橋最大的不同之處在于，富水河橋拱梁剛性連接，充分體現(xiàn)其整體性能，預(yù)應(yīng)力不僅僅作為系桿，與橋面板形成有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，可以很好的改善橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀況。

3.3 計算模型

富水河橋結(jié)構(gòu)是整體式共剛架體系，邊拱、腹拱、主拱和橋面板彼此之間的連接均采用剛接，結(jié)構(gòu)仿真分析采用橋梁博士軟件，設(shè)計結(jié)構(gòu)有限元計算模型簡圖分別如圖3。

圖3 富水河橋有限元模型

富水河橋結(jié)構(gòu)分析模型采用平面桿系模型，橋面板選用預(yù)應(yīng)力砼單元，主拱、邊拱、腹拱及橋墩均選用鋼筋混凝土單元，兩端設(shè)為可動支座邊界，橋墩邊界為彈性支座，系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況加以估計。混凝土的楊氏模量參考所用混凝土的參數(shù)，泊松比0.3。

3.4 受力分析

國內(nèi)已有的幾座拱橋，由于橋面板(梁)為簡支結(jié)構(gòu)或者連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，且系桿對其無任何作用效果，兩者是分開的體系，因此其內(nèi)力及應(yīng)力狀態(tài)即為通常的簡支或者連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

本橋梁整體式橋面板在預(yù)應(yīng)力作用效果下，其受力具有與之不同的特點(diǎn)。

通過仿真模擬計算，按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)進(jìn)行了相應(yīng)的荷載組合，分析富水河橋的受力特點(diǎn)。

3.4.1基本組合內(nèi)力

富水河橋基本組合效應(yīng)下的內(nèi)力情況如圖4和圖5。

圖4 截面最大彎矩包絡(luò)圖/ kN·m

圖5 截面最小彎矩包絡(luò)圖/ kN·m

從橋梁結(jié)構(gòu)基本組合的內(nèi)力(彎矩)圖可以看出，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制截面主要在幾個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等特殊位置處。對于拱結(jié)構(gòu)，邊拱主要在腹拱拱腳支撐位置處和邊拱與橋面板固結(jié)位置處截面彎矩比較大；腹拱主要是拱頂與橋面板連接處彎矩比較大，為腹拱結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)；主拱主要在與橋面板固結(jié)位置處截面彎矩較大。對于橋面板結(jié)構(gòu)，在橋面板與腹拱、主拱的連接點(diǎn)之間的橋面板跨度的中間位置及與腹拱、邊拱的連接點(diǎn)之間的橋面板跨度的中間位置為最不利位置。因此對于這類橋型，這些截面受力是橋梁設(shè)計的控制截面。

3.4.2正常使用極限狀況應(yīng)力

觀察整體式預(yù)應(yīng)力橋面板在長期和短期效應(yīng)組合下的應(yīng)力狀況，如圖6～8。

圖6 長期效應(yīng)組合最大正拉應(yīng)力

圖7 短期效應(yīng)組合最大正拉應(yīng)力

圖8 短期效應(yīng)組合最大主拉應(yīng)力

從以上幾個應(yīng)力圖看出，在拱與橋面板連接點(diǎn)處或者附近，橋面板上緣拉應(yīng)力都比較大；在橋面板與腹拱、主拱的連接點(diǎn)之間的橋面板跨度的中間位置及與腹拱、邊拱的連接點(diǎn)之間的橋面板跨度的中間位置，橋面板下緣拉應(yīng)力較大。但受橋面板預(yù)應(yīng)力作用，其長期和短期組合拉應(yīng)力均控制在較小的范圍內(nèi)。比較圖6和圖7可以看出，短期效應(yīng)組合下橋面板上下緣最小應(yīng)力從圖形上看，相當(dāng)于長期效應(yīng)組合下應(yīng)力圖向下移動若干距離，也就是各截面中性軸位置向上緣移動，并且短期效應(yīng)組合下上下緣最小應(yīng)力圖絕大部分分布在應(yīng)力0MPa以下。從這一點(diǎn)可以看出橋面板應(yīng)力狀態(tài)還具有一定優(yōu)化空間。

3.5 裂縫

本橋梁中拱結(jié)構(gòu)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在正常使用極限狀態(tài)荷載組合II下的裂縫寬度如圖9(圖中裂縫為沿各拱拱的軸線分布給出)：

圖9 橋梁拱結(jié)構(gòu)裂縫寬度

從圖9可以看出，各拱結(jié)構(gòu)均在拱腳負(fù)彎矩處上緣裂縫較大，其他位置上緣基本上沒有出現(xiàn)裂縫；在主拱拱頂、腹拱支撐位置處，邊拱拱頂(即邊拱與橋面板固結(jié)點(diǎn))、腹拱支撐位置處及腹拱拱頂下緣裂縫較大，尤其在邊拱拱頂和腹拱拱頂最為不利。

圖中裂縫的特點(diǎn)正好與上述內(nèi)力特點(diǎn)相似，因此這些關(guān)鍵位置是拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制截面，設(shè)計時需嚴(yán)格保證這些位置的受力安全。

4 可優(yōu)化改進(jìn)之處及建議

(1)對于橋梁拱軸線的線形可做更深入的優(yōu)化分析，特別是主拱和邊拱拱軸線的擬合和匹配，將能夠很好的改進(jìn)和優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)受力。

(2)從橋面板應(yīng)力狀態(tài)上看，應(yīng)力狀態(tài)可進(jìn)一步優(yōu)化完善；本設(shè)計橋梁橋面板高度可適當(dāng)增加，在構(gòu)造允許的情況下，預(yù)應(yīng)力束可適當(dāng)下移；或者可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力最好設(shè)置縱彎。

(3)橋面板與拱結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的處理方式，可以采用不同的方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計者可根據(jù)具體設(shè)計特點(diǎn)，或針對不同的地質(zhì)條件選用合適的處理方法。

5 結(jié) 語

(1)整體式預(yù)應(yīng)力葵花拱橋具有獨(dú)特的受力特點(diǎn)。整體式橋面板，避免了設(shè)置多道伸縮縫，大大改善了行車的舒適度；整體式橋面板預(yù)應(yīng)力可控制調(diào)節(jié)改善其本身的受力狀態(tài)，并且同時也具有系桿的作用，能夠平衡拱腳水平推力；橋梁結(jié)構(gòu)為拱式剛架體系，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，但是具有很好的整體性能；同時一定程度增加了結(jié)構(gòu)施工技術(shù)難度。

(2)對于該橋梁結(jié)構(gòu)，主拱、邊拱、腹拱與橋面板相互之間的固結(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜；拱結(jié)構(gòu)與橋面板連接點(diǎn)之間的橋面板跨中的受力比較不利，因此對于這類橋型，上述位置將是橋梁設(shè)計的控制截面。

(3)本橋結(jié)構(gòu)優(yōu)美，立體層次感強(qiáng)，整體性能好，可以得到一定程度的推廣使用。

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