淺析上承式葵花形拱橋設計

摘要：上承式混凝土葵花形拱橋，主橋由兩側的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，主橋全長312m。兩側岸跨主拱與岸跨縱梁剛接形成曲梁，為一端簡支一端固結的預應力混凝土曲線箱梁;中間的四跨連拱為空腹式箱形拱，并在墩頂主拱上設腹拱;拱上建筑為預應力混凝土連續(xù)箱梁。為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強預應力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力。針對結構的特點建立空間有限元模型，結構計算分析表明：該橋各主要構件受力及橋梁剛度、整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。該橋的成功建設可為同類橋梁設計和施工提供范例。

關鍵詞：葵花形拱橋;箱梁;剛度;橋梁設計

一、工程概況

本項目位于珠江三角洲平原，沿線軟土廣泛分布。由于軟土地基承載性能較差，為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強預應力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力，管樁與橋墩豎向軸線夾角為12度;預應力系桿設置于上部橋面縱梁箱內，預應力系桿貫穿主橋全橋，兩端錨固在岸跨梁中橫隔梁上。

二、主要技術標準

道路等級：城市主干道。

設計荷載：城市A級。

設計洪水頻率：1/300。

通航標準：通航等級：VI級（3等）， 通航凈空為BxH =2x38mx6m。

三、主橋結構設計

（一）總體布置

主橋由兩側的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，全長312m，橋梁全寬40.9m，分為左右兩幅橋，單幅橋寬19.85米。

（二）縱梁

縱梁全長共272m，為23跨預應力混凝土單箱雙室的連續(xù)箱梁，跨徑組合為：（16.5+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+16.5）m。

（三）岸跨拱梁

岸跨主拱采用四次拋物線為拱軸線，為單箱雙室等截面箱型拱，截面高1.6m，矢跨比為1/6。

（四）主跨主拱

主拱拱軸線采用四次拋物線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.6m，拱頂處截面高1.2m，矢跨比為1/7。

（五）腹拱

腹拱拱軸線采用橢圓線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.1m，拱頂處截面高0.8m。

（六）體外預應力系桿

體外預應力系桿位于連續(xù)縱梁及岸跨梁箱內，錨固于橋梁兩端岸跨梁中橫梁處，鋼絞線系桿采用XGK15-37B可換索式成品索體，鋼絞線標準強度為1860MPa，一幅橋設置8束，全橋共設置16束。

（七）下部結構

墩身采用矩形截面實體墩，側立面采用圓倒角接順主拱弧線，墩身橫橋向與主拱同寬為11.35m（含邊腹板外側各0.25m長的裝飾凹槽）。橋邊墩基礎采用6根D250cm鉆孔灌注樁和8根D100cm預制管樁，預制管樁與豎向軸線夾角為12度，承臺厚度為250cm;橋次邊墩和中墩基礎采用6根D200cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為250cm。

四、結構分析計算

（一）模型建立

采用計算軟件MIDAS-Civil。取半幅橋進行結構計算。

主、腹拱、縱梁、橋墩及承臺均采用空間梁單元進行離散;體外預應力系桿采用索單元施加初拉力進行模擬;樁基礎及高強預應力斜樁聯(lián)合作用通過計算群樁作用下承臺底的等效出口剛度，并將此剛度值施加于承臺底單元節(jié)點;體外預應力系桿與岸跨縱梁及縱梁間的定位及轉向通過節(jié)點間的彈性連接體系實現(xiàn);拱上縱梁與拱間連接通過節(jié)點間的彈性連接體系實現(xiàn)。

（二）參數(shù)取值及荷載組合

考慮混凝土收縮、徐變效應，計算荷載有：恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載。參數(shù)取值如下：

1、恒載：主梁C60混凝土重度取26kN/m3。

2、預應力：預應力鋼束采用?s15.2低松弛鋼絞線，fpk =1860 MPa，設計錨下張拉控制應力為0.75fpk =1395MPa，預應力鋼束與管道壁摩擦系數(shù)μ 取0.17，管道每米局部偏差的摩擦影響系數(shù)k 取0.0015m-1，張拉端錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值取6mm。

3、混凝土收縮、徐變：年平均相對濕度取70%。

4、溫度荷載：整體升、降溫按升溫20℃、降溫20℃計算。主梁考慮溫度梯度，取正溫度梯度10 ℃、負溫度梯度10℃計算。

（三）主要分析結果

1、岸跨拱梁

岸跨拱梁短期效應組合上緣最大拉應力為1.074MPa，下緣未出現(xiàn)拉應力;短期效應組合最大主拉應力為1.07MPa;岸跨拱梁長期效應組合最大主壓應力為14.54MPa，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內力值均不超過抗力值，均滿足規(guī)范要求。

2、拱圈

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》要求，鋼筋混凝土構件II類環(huán)境最大裂縫限值為0.2mm。主拱單元最大裂縫為0.164mm，腹拱最大裂縫寬度為0.13mm，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內力值均不超過抗力值，均滿足規(guī)范要求。

3、縱梁

縱梁短期效應組合上緣最大拉應力為1.234MPa，下緣最大拉應力為0.732MPa，短期效應組合最大主拉應力為1.235MPa，長期效應組合最大主壓應力為10.4MPa，承載能力極限狀態(tài)基本組合下內力值均不超過抗力值，滿足規(guī)范要求。

五、結語：

拱橋因其優(yōu)美的造型及經濟性，是橋梁設計常選的橋型，但拱橋是有推力的超靜定結構，特別是矢跨比較小的鋼筋混凝土上承式拱，拱腳有很大的水平推力，在軟土地基上建拱的技術難度很高。本橋采用“高強預應力鋼絞線系桿+現(xiàn)澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力，取得了良好的效果，本工程的順利施工可供今后類似工程參考借鑒。

參考文獻：

[1]潘少冬. 連續(xù)梁拱組合體系橋應用實踐[ J] .鐵道建筑，2006，10： 21-22.

[2]金成棣. 預應力混凝土梁拱組合橋梁[ J] .設計研究與實踐[M ] . 北京： 人民交通出版社，2001.

[3]高吉才，金慶利.大跨徑PC變截面連續(xù)梁設計要點探討 [J].中外公路，2010（6）.

[4]汪學著.宣城市鳳凰橋設計[J].世界橋梁，2011（3）.

[5]CJJ_11-2011 城市橋梁設計規(guī)范[S].

[6]黃晟 鳳凰二橋工程設計分析[D].