葵花拱橋腹拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

汪學(xué)明，鄧紅梅

（安徽宏泰交通工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

拱橋[2-3]作為一種人類應(yīng)用較早且較廣泛的橋型之一，具有“歷史悠久、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、造型美觀”等特點(diǎn)。在拱橋早期發(fā)展過程中，以石拱橋、木拱橋?yàn)橹饕愋?，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有別于傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)體系的拱橋也得到迅速發(fā)展，尤以混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及鋼混組合結(jié)構(gòu)的拱橋最為突出，在結(jié)構(gòu)材料性能大為改善的同時(shí)，橋型體系也有了各式各樣的創(chuàng)新與突破，在滿足使用功能的前提下，人們對于橋梁美學(xué)的要求也越來越高，景觀橋應(yīng)運(yùn)而生。

本文所闡述的葵花拱橋是一種新型拱橋，是力與美的一種完美結(jié)合。采用曲線腹拱代替原有主拱拱上立柱或立墻，葵花拱橋從視覺上給人一種主腹拱交錯(cuò)重疊的層次感，并因結(jié)構(gòu)造型形似向日葵花瓣而得名[4-5]。但是將原來的類似均勻分布的多個(gè)立柱更換為腹拱，即其對主拱的作用力由近似均布多個(gè)豎向力轉(zhuǎn)變?yōu)閮H作用于腹拱拱腳處的單個(gè)集中力，同時(shí)腹拱對主拱產(chǎn)生一水平推力作用，使得結(jié)構(gòu)的受力形式變得復(fù)雜[6-7]。本文以一座五跨葵花拱橋?yàn)槔?，研究分析腹拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取對于橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，從而合理的選取腹拱設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 工程概況

本文以某城市郊區(qū)一座五跨葵花拱橋?yàn)楣こ虒?shí)例，該橋所在道路為二級公路，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h。該橋由兩側(cè)的岸跨拱梁和中間三跨連拱組成，跨徑組合為（17+3×30+17）m，橋梁全長 130m，橋梁整幅全寬15m。由于橋梁主跨跨徑較小，所以橋梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主、腹拱圈以及橋面板均采用實(shí)心板，主、腹拱圈拱軸線[8]均采用圓曲線，主拱矢跨比[9,10]為1/5.8，主、腹拱圈均為無鉸拱，主拱拱腳與橋墩固結(jié)，腹拱拱腳與主拱拱圈固結(jié)。兩側(cè)岸跨主拱與岸跨縱梁剛接形成曲梁，為一端簡支一端固結(jié)的混凝土板梁，中間的三跨連拱在墩頂主拱上設(shè)腹拱，并在主、腹拱拱頂合適位置設(shè)置支座，拱上建筑為混凝土連續(xù)板梁（以下簡稱連續(xù)縱梁），連續(xù)縱梁放置于拱上支座上。

為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線系桿+群樁基礎(chǔ)”相結(jié)合來抵抗水平推力。預(yù)應(yīng)力系桿設(shè)置于上部橋面縱梁內(nèi)，預(yù)應(yīng)力系桿貫穿連續(xù)縱梁，兩端錨固在岸跨梁梁端。

橋梁總體布置圖如圖1所示，連續(xù)縱梁及拱上支座布置圖如圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 連續(xù)縱梁及拱上支座布置圖

本文采用有限元軟件midas civil 2015對其進(jìn)行模擬分析研究腹拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取對于橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

3 計(jì)算分析

本文主要從矢跨比和跨徑兩個(gè)影響因素來分析研究腹拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對自身結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及主拱圈內(nèi)力的影響規(guī)律。圖4所示為相同矢跨比（ξ=f/L=1/5.4）下，三種不同腹拱跨徑（L1=11.5m、L2=10.0m、L3=8.5m）示意圖，圖5所示為相同腹拱跨徑（L=10.0m）下，三種不同矢跨比（ξ1=1/4.1、ξ2=1/5.4、ξ3=1/6.5）示意圖。

圖4 相同矢跨比不同跨徑示意圖

圖5 相同跨徑不同矢跨比示意圖

3.1 跨徑對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響規(guī)律分析

由于橋梁結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，因此圖表數(shù)據(jù)結(jié)果僅顯示結(jié)構(gòu)的一半（本次僅研究分析主、腹拱圈的受力情況，故圖表結(jié)果中未顯示橋面連續(xù)縱梁的受力情況）。

①L1=8.5m

圖6 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（L1=8.5m）

圖7 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈彎矩圖（L1=8.5m）

②L2=10.0m

圖8 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（L2=10.0m）

圖9 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈彎矩圖（L2=10.0m）

③L3=11.5m

圖10 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（L3=11.5m）

圖11 1/2結(jié)構(gòu)主、腹圈拱彎矩圖（L3=11.5m）

由圖6、圖8、圖10可看出，隨著腹拱跨徑的增大，在拱腳、主腹拱交接處、拱圈1/4處以及拱頂?shù)戎匾?jié)點(diǎn)處，除邊主拱圈軸力無明顯變化外，其余主、腹拱圈的軸力都呈明顯增大趨勢；由圖7、圖9、圖11可看出，隨著腹拱跨徑的增大，邊主拱1/4處彎矩由負(fù)彎矩漸變至正彎矩，主腹拱交接處正彎矩遞減，拱腳處負(fù)彎矩值遞增，主拱1各節(jié)點(diǎn)處彎矩值遞增，主拱2拱腳和主腹拱交接處彎矩值遞增，1/4處彎矩值由負(fù)彎矩漸變至正彎矩，拱頂處彎矩值由正彎矩遞減至負(fù)彎矩，腹拱1各節(jié)點(diǎn)處彎矩值遞減，腹拱2拱腳和拱頂處彎矩值遞增，1/4處彎矩值遞減。由此可見，隨著腹拱跨徑的增大，主腹拱圈軸力和主拱圈彎矩呈現(xiàn)整體增大趨勢（部分節(jié)點(diǎn)除外），腹拱圈彎矩呈整體減小趨勢（部分節(jié)點(diǎn)除外），故腹拱跨徑的選擇應(yīng)結(jié)合軸力和彎矩兩方面來考慮，選取最優(yōu)值。

3.2 矢跨比對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響規(guī)律分析

①ξ1=f/L=1/4.1

圖12 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（ξ1=1/4.1）

圖13 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈彎矩圖（ξ1=1/4.1）

②ξ2=f/L=1/5.4

圖14 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（ξ2=1/5.4）

圖15 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈彎矩圖（ξ2=1/5.4）

③ξ3=f/L=6.5

圖16 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈軸力圖（ξ3=1/6.5）

圖17 1/2結(jié)構(gòu)主、腹拱圈彎矩圖（ξ3=1/6.5）

由圖12、圖14、圖16可看出，隨著矢跨比的減小，在拱腳、主腹拱交接處、拱圈1/4處以及拱頂?shù)戎匾?jié)點(diǎn)處，除主拱拱腳處軸力遞減外，其余主、腹拱圈的軸力都呈增大趨勢；由圖13、圖15、圖17可看出，隨著矢跨比的減小，除主拱2和腹拱1的拱頂、拱腳處彎矩值呈遞減趨勢，其余主、腹拱圈的彎矩值都呈遞增趨勢。由此可見，隨著矢跨比的減小，主腹拱圈軸力和彎矩呈現(xiàn)整體增大趨勢（部分節(jié)點(diǎn)除外），故腹拱矢跨比的選擇應(yīng)結(jié)合軸力和彎矩兩方面來考慮，選取最優(yōu)值。

4 小結(jié)

本文以某城市郊區(qū)一座五跨葵花拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元軟件進(jìn)行建模分析研究葵花拱橋腹拱跨徑和矢跨比對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律。研究表明，腹拱跨徑和矢跨比在一定范圍內(nèi)變化對葵花拱橋主、腹拱圈內(nèi)力的影響呈規(guī)律性變化。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜性以及影響參數(shù)的多樣性，我們常常綜合各項(xiàng)影響因素選取最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。本文的研究結(jié)果可為今后類似工程問題提供參考依據(jù)。