腹拱設(shè)計(jì)對(duì)連拱結(jié)構(gòu)受力的影響分析

摘 要 連拱結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用，造型古典優(yōu)美，被廣泛應(yīng)用于公園等場(chǎng)景的景觀橋梁設(shè)計(jì)。為減輕拱上結(jié)構(gòu)自重，往往設(shè)計(jì)為空腹式。本文以某九孔連拱橋設(shè)計(jì)實(shí)例，采用有限元橋梁計(jì)算軟件，分析腹拱采用兩鉸拱與無(wú)鉸拱設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主拱結(jié)構(gòu)受力的影響。

關(guān)鍵詞 腹拱設(shè)計(jì);連拱結(jié)構(gòu);受力

1工程概況

上部結(jié)構(gòu)采用9×18m空腹式鋼筋砼板拱，主拱凈跨徑16m，凈矢高4m，矢跨比為1/4，拱軸線采用圓弧拱，拱圈厚0.6m。腹拱凈跨徑2m，凈矢高0.5m，矢跨比為1/4，拱軸線采用圓弧拱，拱圈厚0.25m。橋面橫向布置為4.5m風(fēng)雨走廊人行道+3m非機(jī)動(dòng)車道+4.5m風(fēng)雨走廊人行道，總寬12m。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用U臺(tái)，承臺(tái)接樁基礎(chǔ)，每個(gè)橋臺(tái)下設(shè)8根D1.5m樁基礎(chǔ)，橋墩采用實(shí)體墩，敦厚2.2m，承臺(tái)接樁基礎(chǔ)，其中3號(hào)、6號(hào)墩為制動(dòng)墩，每個(gè)制動(dòng)墩下設(shè)8根D1.5m樁基礎(chǔ)，其余橋墩每個(gè)墩下設(shè)4根D1.5m樁基礎(chǔ)，樁基按鉆孔摩擦樁設(shè)計(jì)[1]。

2建設(shè)條件

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①道路等級(jí)：人非混行道。②設(shè)計(jì)車道：兩側(cè)4.5m人行道+中間3m非機(jī)動(dòng)車道。③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。④結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。⑤設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載等級(jí)（非機(jī)動(dòng)車道驗(yàn)算荷載）：公路—Ⅰ級(jí);人群荷載：3.5kN/m2。

2.2 地質(zhì)條件

本橋地質(zhì)條件為：淤泥（Q4al）層厚0.30～3.20m，粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）埋深0～6.80m，層厚1.80～11.40m，細(xì)砂（Q3al+pl）埋深19.20～23.70m，層厚1.70～3.40m，卵石（Q3al+pl）埋深13.20～18.30m，揭露厚度16.30～25.50m。場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組[2]。

3計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)模擬

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用MIDAS CIVIL 2017軟件，主拱，腹拱，墩臺(tái)、樁基等構(gòu)件均模擬為梁?jiǎn)卧?。?cè)墻、填料及橋面板僅計(jì)入自重影響，不考慮其聯(lián)合作用，釋放單元兩端約束My及Mz。由于本橋地質(zhì)條件一般，需考慮樁基與土約束的聯(lián)合作用模擬基礎(chǔ)剛度，樁基礎(chǔ)彈簧剛度根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算取值。本文分析探討兩種腹拱方案：方案一腹拱按兩鉸拱設(shè)計(jì)，腹拱圈采用釋放兩側(cè)拱腳單元梁端約束My模擬拱腳設(shè)鉸;方案二腹拱按無(wú)鉸拱設(shè)計(jì)，腹拱圈采用兩側(cè)拱腳單元與拱座或立柱剛性連接模擬拱腳無(wú)鉸。全橋模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果考慮以下三種工況，工況一：恒載作用;工況二：活載作用（車道荷載+人群荷載）;工況三：恒載作用+活載作用。主拱軸力、彎矩、豎向變形及橋梁墩臺(tái)水平力結(jié)果見表1-表4。

3.3 結(jié)果分析

通過以上結(jié)果可以看出兩個(gè)方案除主拱拱腳截面軸力基本相當(dāng)外，方案一較方案二在主拱拱頂截面軸力、主拱彎矩及主拱拱頂豎向位移均稍大，其中拱腳截面處的彎矩方案一較方案二大約50%。 兩方案在墩臺(tái)處產(chǎn)生的水平在橋墩處基本相當(dāng)，在橋臺(tái)處方案一較方案二稍大[3]。

4結(jié)束語(yǔ)

由于兩鉸腹拱方案結(jié)構(gòu)整體剛度較無(wú)鉸腹拱方案小，所以雙鉸腹拱方案主拱內(nèi)力較無(wú)鉸腹拱方案大。但是由于空腹式拱橋腹拱病害非常突出，腹拱的連拱效應(yīng)又難以簡(jiǎn)單實(shí)用的模擬計(jì)算，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)橋梁具體特點(diǎn)仔細(xì)研究確定腹拱采用雙鉸拱還是無(wú)鉸拱。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜岳濤，張長(zhǎng)江，劉海鵬，等.空腹式拱橋腹拱力學(xué)性能研究.[J]湖南交通科技，2016（2）：137-139，150.

[2] 杜永超.空腹式鋼筋混凝土連拱橋結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)研究.[J]山西建筑，2014（9）：193-194.

[3] 王國(guó)鼎.拱橋連拱計(jì)算（第三版）[D].北京：人民交通出版社，1983：76.

作者簡(jiǎn)介

詹先境（1987-），男，湖南慈利人;學(xué)歷：本科，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：創(chuàng)輝達(dá)設(shè)計(jì)股份有限公司，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。