人行景觀拱橋拱圈受力分析

蔣定衍

（上海市政設(shè)計研究總院集團佛山斯美設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，城市綠地公園的建設(shè)越來越多，對景觀的要求也越來越高。而拱橋因為其造型優(yōu)美、曲線圓潤、富有動態(tài)感、可很好地與周邊景觀融合等特點，成為大多數(shù)公園橋梁的首選橋型。

1 工程概況

某公園人行景觀橋為單跨混凝土上承式拱橋，跨徑為15 m，橋面總寬為5.0 m。拱圈線形采用矢跨比f/L=1/5.66的等截面圓弧（R=11.95m），厚度為60 cm。橋臺采用重力式，承臺厚1.5 m，基礎(chǔ)為直徑1.0 m的鉆孔灌注樁，等間距布置。橋面鋪裝總厚30～245 cm，其組成為3 cm厚花崗巖貼面+3 cm M10混凝土砂漿+24～239 cm輕質(zhì)混凝土，在鋪裝與拱圈中間另設(shè)2 mm防水層。人行道兩旁設(shè)花崗巖欄桿。橋梁總體布置圖及拱圈斷面尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 拱圈斷面構(gòu)造圖（單位：cm）

2 桿系計算模型

以MIDAS/Civil建立了結(jié)構(gòu)的平面桿系模型，拱圈部分共等分為31個單元，單個橋臺及承臺共劃分為7個單元，如圖3所示。樁基礎(chǔ)考慮以m法計算基礎(chǔ)的地基剛度，考慮樁基的彎剪耦合效應(yīng)，以6×6彈性地基剛度矩陣進行模擬；二期恒載以及人群荷載以靜載方式中的單元荷載進行加載。

圖3 結(jié)構(gòu)桿系模型

拱圈上下緣正應(yīng)力計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 拱圈上緣正應(yīng)力圖

圖5 拱圈下緣正應(yīng)力圖

3 實體計算模型

根據(jù)橋梁的總體構(gòu)造，以MIDAS/Civil建立了結(jié)構(gòu)的三維實體模型，拱圈部位共劃分為188個實體單元，單個橋臺及承臺共劃分為334個實體單元，如圖6所示。樁基礎(chǔ)模擬同桿系模型；二期恒載以及人群荷載以靜載方式中的節(jié)點荷載進行加載。

圖6 結(jié)構(gòu)實體模型

根據(jù)MIDAS/Civil分析軟件計算結(jié)果，為便于更直觀地觀察拱圈內(nèi)的應(yīng)力分布情況，分別以拱圈縱軸截面、拱頂橫截面以及拱腳橫截面做分析，如圖7～圖9所示。

圖7 拱圈X向正應(yīng)力云圖（順橋向）

圖8 拱頂Y向正應(yīng)力云圖（橫橋向）

圖9 拱腳Y向正應(yīng)力云圖（橫橋向）

由圖7可知，拱圈拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂下緣以及拱腳的上緣，但是拱腳拉應(yīng)力最大處并不是出現(xiàn)在拱腳與橋臺的交界處，而是出現(xiàn)在距離拱腳大約1.0 m處，主要是因為空間實體模型是考慮了橋臺混凝土對拱腳的套箍作用。由圖8及圖9可知，拱頂位置的應(yīng)力在橫向并不均衡，而拱腳截面的應(yīng)力橫向分布則相對較均勻。

從計算結(jié)果可以看出，拱圈的最大拉應(yīng)力為4.259 MPa，可通過配置縱向受拉鋼筋以抵抗截面拉應(yīng)力，將裂縫控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 計算結(jié)果對比分析

以拱圈上下緣正應(yīng)力分布作為研究對象，對桿系模型與實體模型的計算結(jié)果進行比較，如圖10、圖11所示。

從兩圖的分析可知，在拱頂位置，兩種計算方法的應(yīng)力趨勢基本一致，但是無論是上緣還是下緣，實體模型的計算結(jié)果均大于桿系模型，而拱腳位置的應(yīng)力趨勢則有較大的差異，主要是因為實體模型充分考慮了結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，更接近結(jié)構(gòu)的實際受力情況，可提供更加可靠的設(shè)計理論依據(jù)。

5 結(jié)語

本文以某公園的人行景觀拱橋為背景，借助空間有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)分別建立平面桿系模型以及空間的實體模型，并對兩種方法的計算結(jié)果進行分析對比，以對橋梁結(jié)構(gòu)進行嚴謹?shù)脑O(shè)計，力爭避免出現(xiàn)同類型橋梁的弊病，保證橋梁在設(shè)計基準期內(nèi)的安全。

圖10 拱圈上緣正應(yīng)力對比圖

圖11 拱圈下緣正應(yīng)力對比圖