葵花拱式梁拱組合橋設(shè)計(jì)研究

韋群 陸勇 張東波

摘要：文章以百色市百東新區(qū)東吉路景觀橋梁方案設(shè)計(jì)為研究對象，闡述葵花拱式梁拱組合橋與普通上承式拱橋的受力特點(diǎn)及區(qū)別，并結(jié)合桿系及實(shí)體計(jì)算分析對葵花拱式梁拱組合橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，為同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供參考及借鑒。

關(guān)鍵詞：葵花拱;梁拱組合橋;設(shè)計(jì)研究

中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.030

文章編號：1673-4874（2019）08-0111-03

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活的提高，城市的發(fā)展建設(shè)也越來越要求景觀性和適應(yīng)性，特別是對城市橋梁的景觀要求也越來越高。各種造型特異，風(fēng)格獨(dú)特的城市橋梁如雨后春筍般隨之出現(xiàn)。在城市中小跨徑橋梁中，梁橋因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，施工方便，得到大量應(yīng)用;上承式拱橋作為中國的古典橋型之一，其優(yōu)美的曲線和造型在城市中小跨徑橋梁中也備受青睞。而由梁橋與拱橋結(jié)合而成的梁拱組合橋作為一種新型橋梁，在城市中因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)造型和受力特性也逐漸得到應(yīng)用與發(fā)展。而葵花拱式梁拱組合橋，作為梁拱組合的其中一種，因其結(jié)構(gòu)造型美觀，場地適應(yīng)性較好等特點(diǎn)，在城市景觀橋梁中也逐漸被應(yīng)用。

本文旨在通過實(shí)際項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)研究，結(jié)合桿系及實(shí)體計(jì)算分析對葵花拱式梁拱組合橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考及借鑒。

1工程背景

東吉路景觀橋梁位于百色市百東新區(qū)，跨越星湖水系，方案擬采用葵花拱式梁拱組合橋。橋梁全長108.72m，寬36.5m，兩幅橋布置，跨徑布置為（26.4+46.8+26.4）m，邊中跨比為0.564，中跨跨中梁高為1.6 m。其中，主孔拱軸線采用懸鏈線，凈跨45.0m，凈矢高5.922m，矢跨比1/7.6，邊跨凈矢高5。625m，矢跨比1/8，拱軸系數(shù)m=4.0，拱圈厚0.9m。腹拱為半徑8.0m圓弧拱，拱圈厚0.5m;拱頂總高1.168m，梁底按2.5次拋物線變高。主腹拱均采用矩形板拱，加勁梁采用整體式箱梁，橋墩采用實(shí)體墻式墩，橋臺采用肋板臺，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁。橋型總體布置如下頁圖1所示。

2葵花拱式梁拱組合橋的受力特點(diǎn)

普通上承式拱橋作為中國的古典橋型之一，在公路和市政橋梁上應(yīng)用較多。其主要受力特點(diǎn)為在豎向荷載的作用下，拱腳將產(chǎn)生水平推力，由于水平推力的作用，使拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力，從而能大大地減小拱圈的截面彎矩，使拱成為偏心受壓構(gòu)件，從而能充分利用拱圈材料的受壓強(qiáng)度。但隨著上部結(jié)構(gòu)自重的增大，相應(yīng)的拱腳水平推力也隨之增大，這樣就需要較強(qiáng)大的下部結(jié)構(gòu)和較好的地基條件。同時上承式拱橋與同等跨徑的梁橋相比，上承式拱橋的建筑高度較高，橋下可利用空間較小。因此在平原地區(qū)和地質(zhì)條件較差的地區(qū)，上承式拱橋適用空間較小。

與普通上承式拱橋相比，葵花拱式梁拱組合橋以連續(xù)梁為基礎(chǔ)，結(jié)合梁橋與拱橋的特點(diǎn)，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將連續(xù)梁支點(diǎn)改為上弦用加勁梁承受拉彎作用，下弦采用拱承受壓彎作用，支點(diǎn)處挖空采用腹拱連接傳遞豎向力，剪力主要由拱的軸力提供的垂直分力承擔(dān);同時利用梁作為系桿平衡拱的水平推力，使結(jié)構(gòu)對外無水平推力。這樣就不需較大的下部結(jié)構(gòu)和較好的地質(zhì)條件來抵抗水平推力，同時能減小拱橋的上部結(jié)構(gòu)重量，減小橋梁的建筑高度，因此可適用于平原地區(qū)和地質(zhì)條件較差的地區(qū)。

3葵花拱式梁拱組合橋結(jié)構(gòu)受力分析

本次結(jié)構(gòu)受力分析主要采用桿系模型和實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算分析。采用桿系模型進(jìn)行全橋施工全過程分析，研究結(jié)構(gòu)主要內(nèi)力變化情況;采用實(shí)體模型進(jìn)行成橋受力分析，研究結(jié)構(gòu)在主要荷載作用下的應(yīng)力分布情況。

3.1桿系計(jì)算分析模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件Midas Civil建立桿系模型進(jìn)行橋梁全過程分析計(jì)算，邊跨段及主跨中段采用梁單元模擬，邊拱、腹拱和主拱與加勁梁的連接采用彈性連接的剛接模擬，加勁梁兩端采用一般支承模擬支座邊界，橋墩樁基采用節(jié)點(diǎn)彈性連接模擬土體作用。計(jì)算模型如圖2～3所示。

3.2實(shí)體計(jì)算分析模型

采用仿真分析軟件Midas FEA建立全橋?qū)嶓w模型進(jìn)行橋梁受力分析計(jì)算，計(jì)算荷載主要考慮自重、二期荷載等恒載作用，研究在荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。計(jì)算模型如圖4所示。

3.3受力分析

3.3.1桿系模型受力分析

采用桿系模型分析各種荷載及作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行相應(yīng)荷載組合，分析結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)在基本效應(yīng)組合下的內(nèi)力及變形情況如圖5～9所示。

（1）從橋梁結(jié)構(gòu)基本組合內(nèi)力圖可知，拱圈結(jié)構(gòu)主要以受壓為主，彎矩及剪力較小;加勁梁主要以拉彎為主，整體剪力值較小，彎矩及剪力較大位置均處于梁拱結(jié)合處;加勁梁在腹拱頂由于腹拱的作用，彎矩值均較小，同時由于拱水平推力的作用，導(dǎo)致橋墩存在水平方向的剪力及墩底的彎矩。

（2）通過結(jié)構(gòu)豎向變形可以看出，邊跨位移較中跨位移較小，邊跨端部相對于跨中向上翹起;從結(jié)構(gòu)水平方向變形可以看出，由于中跨跨徑較大，拱的水平推力作用，將使加勁梁受拉，橋墩向兩邊跨變形。

3.3.2實(shí)體模型受力分析

實(shí)體模型主要分析恒載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。計(jì)算分析結(jié)果如圖10～11所示。

從分析結(jié)果可以看出橋梁結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力較大且較集中的位置均為梁拱結(jié)合位置，應(yīng)力分析結(jié)果與桿系模型內(nèi)力分析結(jié)果一致。同時腹拱處受力較為復(fù)雜，主拉應(yīng)力較大的位置均位于腹拱處。腹拱拱腳上部受拉，腹拱與加勁梁結(jié)合處，腹拱下側(cè)均受拉，且主拉應(yīng)力由拱頂向梁拱結(jié)合處先減小后再增大，分析結(jié)果與桿系模型內(nèi)力結(jié)果變化一致。

4葵花拱式梁拱組合橋設(shè)計(jì)研究

4.1設(shè)計(jì)控制截面及位置

4.1.1加勁梁

由上述桿系模型及實(shí)體模型受力計(jì)算分析可知，葵花拱式梁拱組合橋梁結(jié)構(gòu)加勁梁受力的控制截面為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置。主要截面為加勁梁與主拱及邊拱結(jié)合的位置，在這幾個截面位置加勁梁彎矩及剪力均為最大值，控制著結(jié)構(gòu)的受力設(shè)計(jì)。同時在腹拱頂梁段，加勁梁軸向拉力較大，梁主要按拉彎控制設(shè)計(jì)。

4.1.2拱結(jié)構(gòu)

對于腹拱、主拱及邊拱，彎矩及剪力最大位置為拱腳和拱與加勁梁及腹拱結(jié)合處，截面主要受這幾個位置控制。同時由實(shí)體模型分析可知，腹拱與加勁梁結(jié)合處受力較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時應(yīng)注意該部位的配筋設(shè)計(jì)。

4.1.3橋墩

橋墩控制截面主要為墩底截面，墩底彎矩最大。

4.2設(shè)計(jì)建議

（1）從結(jié)構(gòu)豎向變形可以看出，結(jié)構(gòu)邊跨相對于中跨上翹，設(shè)計(jì)時應(yīng)選取合適的邊中跨比例，一般為中跨跨徑的0.5～0.7倍。當(dāng)邊跨較小時應(yīng)采取相應(yīng)的措施避免支座受拉，如邊跨配重等。

（2）從結(jié)構(gòu)水平方向變形和橋墩受力可以看出，由于主拱的水平推力作用會導(dǎo)致加勁梁受拉和橋墩向外變形，設(shè)計(jì)時應(yīng)增加系梁，如增加加勁梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束或者體外束平衡主拱的水平推力，減小橋墩的剪力及墩底彎矩。當(dāng)采用體內(nèi)束時可根據(jù)加勁梁的受力情況設(shè)置縱彎來調(diào)節(jié)主梁的受力狀況[2]。

（3）從桿系及實(shí)體分析可以看出，腹拱項(xiàng)加勁梁軸向拉力較大，設(shè)計(jì)時可在該段設(shè)置短預(yù)應(yīng)力束平衡軸向拉力，但施工時應(yīng)注意進(jìn)行分段澆筑及張拉。腹拱兩邊應(yīng)預(yù)留合龍段，當(dāng)腹拱頂加勁梁施工張拉完預(yù)應(yīng)力束后再進(jìn)行腹拱合龍，避免張拉預(yù)應(yīng)力束導(dǎo)致腹拱受拉開裂。

（4）從實(shí)體分析可以看出，腹拱與加勁梁結(jié)合處受力較為復(fù)雜，配筋設(shè)計(jì)時較為復(fù)雜，且鋼筋的布置會比較密，設(shè)計(jì)時可以采取加勁梁與腹拱斷開，在腹拱頂設(shè)置支座，這樣加勁梁及腹拱受力會比較簡單。

（5）由實(shí)體分析可知，在拱與拱以及拱與梁相交位置由于截面的突變，應(yīng)力較為集中，建議在這些位置增加倒角處理，減小應(yīng)力集中。

5結(jié)語

葵花拱式梁拱組合橋結(jié)合了梁橋與拱橋的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)造型美觀，線形優(yōu)美，與周邊景觀及場地適應(yīng)性較好，在現(xiàn)代城市景觀橋梁中具有較大的應(yīng)用空間。本文通過葵花拱式梁拱組合橋內(nèi)力及應(yīng)力計(jì)算分析，對葵花拱式梁拱組合橋進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，對葵花拱式梁拱組合橋設(shè)計(jì)提出部分建議，對該類型的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。