上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性影響參數(shù)分析

摘要：為研究上承式鋼筋混凝土拱橋不同設(shè)計(jì)參數(shù)對其成橋穩(wěn)定性的影響，文章選取矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱混凝土強(qiáng)度等級、主拱截面構(gòu)造參數(shù)（高、寬及板厚）等關(guān)鍵參數(shù)作為結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定分析的影響參數(shù)，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的影響大小。結(jié)果表明：矢跨比、主拱混凝土強(qiáng)度等級、主拱截面高、寬及頂?shù)装搴穸葹榻Y(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性影響主要參數(shù)，拱軸系數(shù)、腹板厚度為次要參數(shù)；實(shí)際拱橋設(shè)計(jì)中應(yīng)以結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性為重點(diǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)、施工、景觀等因素對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理取值。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼筋混凝土拱橋；設(shè)計(jì)參數(shù)；成橋穩(wěn)定性；影響分析

中圖分類號：U448.22" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.039

文章編號：1673-4874（2024）11-0129-04

0引言

大跨度上承式鋼筋混凝土拱橋以其跨越能力大、受壓性能好、工程造價(jià)低、后期養(yǎng)護(hù)少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國西部山區(qū)橋梁建設(shè)中［1-3］，尤其在廣西、貴州等山區(qū)跨越峽谷的橋梁建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛，一般采用掛籃懸澆斜拉扣掛施工［4］。

上承式鋼筋混凝土拱橋以受壓為主，結(jié)構(gòu)易受壓屈曲，導(dǎo)致全橋整體失穩(wěn)［5-8］。因此，成橋穩(wěn)定性是上承式鋼筋混凝土拱橋設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)。其性與混凝土強(qiáng)度等級、矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱截面構(gòu)造參數(shù)（高、寬及板厚）等關(guān)鍵參數(shù)取值息息相關(guān)，非常有必要對各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行成橋穩(wěn)定性的影響分析，從而更好地指導(dǎo)上承式鋼筋混凝土拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值。

本文選取矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱混凝土強(qiáng)度等級、主拱截面構(gòu)造參數(shù)（高、寬及板厚）等關(guān)鍵參數(shù)作為結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響參數(shù)，研究各設(shè)計(jì)參數(shù)對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的影響情況，為同類拱橋設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1工程概況與有限元模型的建立

1.1工程概況

本文依托工程為廣西某高速公路上一座跨峽谷的鋼筋混凝土拱橋，橋跨布置為2×30 m+150 m+2×30 m，其中主橋?yàn)榭缍?45 m的上承式鋼筋混凝土拱橋，矢跨比1/4.5，拱軸系數(shù)1.70，橋型立面如圖1所示。

橋梁總橋?qū)?6.25 m，主拱采用C55混凝土，橫向布置兩個(gè)間距9 m單箱單室箱型主拱，單片主拱截面高2.80 m、寬2.50 m，腹板厚0.40 m，頂?shù)装搴?.40 m，其橫斷面如圖2所示。

1.2有限元模型的建立

采用Midas Civil 2022建立主橋的整體有限元模型，共計(jì)節(jié)點(diǎn)624個(gè)，單元768個(gè)，其結(jié)構(gòu)整體有限元模型如圖3所示。

2矢跨比對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

矢跨比是影響上承式鋼筋混凝土拱橋受力的核心設(shè)計(jì)參數(shù)。不同矢跨比下結(jié)構(gòu)受壓狀態(tài)不同，其結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性大小也不同。

本文選取6組不同矢跨比（取1/6.5～1/4.0，為上承式鋼筋混凝土拱橋正常矢跨比范圍），分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受矢跨比的影響大小。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同矢跨比下結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見下頁表1，分布曲線見下頁圖4。

由表1和圖4可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨矢跨比增大呈線性增大，可見矢跨比是影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定的主要參數(shù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過增大矢跨比來提高結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性，但過大的矢跨比導(dǎo)致主拱過陡不利于施工，且景觀性相對較差。因此，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工便利、景觀等方面考慮，上承式鋼筋混凝土拱橋可選擇較大矢跨比，但不宜過大，1/5.5～1/4較為合適。

3拱軸系數(shù)對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

選取六組不同拱軸系數(shù)（取1.2～2.2，上承式鋼筋混凝土拱橋正常拱軸系數(shù)范圍），分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受拱軸系數(shù)的影響大小。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同拱軸系數(shù)下成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，分布曲線見圖5。

由表2和圖5可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨拱軸系數(shù)增大變化非常小，可見拱軸系數(shù)對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性影響相對不大，為次要影響參數(shù)。

4主拱混凝土強(qiáng)度等級對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

混凝土作為一種以抗壓為主的結(jié)構(gòu)材料，其壓碎是拱橋失穩(wěn)的主要原因。主拱圈作為拱橋最為核心的混凝土受壓承載構(gòu)件，其混凝土強(qiáng)度等級會影響結(jié)構(gòu)的整體抗失穩(wěn)能力。因此，本文選取6組不同強(qiáng)度等級（C25～C75）混凝土的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受主拱混凝土強(qiáng)度等級的影響情況。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同主拱混凝土強(qiáng)度等級下結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示，分布曲線如圖6所示。

由表3和圖6可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨主拱混凝土強(qiáng)度等級增加而增大，增大速率逐漸變緩。可見，主拱混凝土強(qiáng)度等級也是影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)。

因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過提高主拱受壓混凝土強(qiáng)度等級來提高結(jié)構(gòu)的成橋穩(wěn)定性。實(shí)際施工中也應(yīng)嚴(yán)格把控主拱混凝土的配合比及水膠比，把控好混凝土質(zhì)量，保證混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5主拱截面構(gòu)造參數(shù)對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

不同于矢跨比、主拱混凝土強(qiáng)度及拱軸系數(shù)，主拱截面相關(guān)構(gòu)造參數(shù)更直接影響主拱壓應(yīng)力的大小，即直接影響上承式鋼筋混凝土拱橋的成橋穩(wěn)定性。

5.1主拱截面高度

選取6組不同截面高度（1.8～4.3 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受主拱截面高度的影響情況。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同主拱截面高度下結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4，分布曲線見圖7。

由表4和圖7可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨主拱截面高度增加呈先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定趨勢。

可見，主拱截面高度也是影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)，一定范圍內(nèi)增加主拱截面高度可提高上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，主拱截面高度在一定范圍內(nèi)宜取大值。

5.2主拱截面寬度對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定的影響分析

選取6組不同截面寬度（1.5～4.0 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受主拱截面寬度的影響情況。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同主拱寬截面寬度下結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5，分布曲線見圖8。

由表5和圖8可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨主拱截面寬度增加而增大，且前期增大速率較大，后期呈穩(wěn)定速率增大。

可見，主拱截面寬度也是影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)，從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，主拱截面寬度可相對取大值，但不宜取值過大。

5.3主拱頂?shù)装搴穸葘Y(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

選取5組不同截面底板厚度（10～120 cm）主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受主拱底板厚度的影響情況。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同主拱頂?shù)装搴穸认陆Y(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6，分布曲線見圖9。

由表6、圖9可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨頂?shù)装搴穸仍黾映氏仍龃蠛鬁p小趨勢，在厚度80 cm左右達(dá)到最大。可見，主拱頂?shù)装搴穸纫彩怯绊懡Y(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)。

實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過增加主拱頂?shù)装搴穸葋硖岣呓Y(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性，但取值不宜過大，從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，取40～60 cm較為合適。

5.4主拱腹板厚度對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響

選取6組不同主拱腹板厚度（1.5～4.0 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性受主拱腹板厚度的影響情況。

經(jīng)有限元計(jì)算，不同主拱腹板厚度下結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7，分布曲線見圖10。

由表7、圖10可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨主拱腹板厚度增加變化較小。

可見，主拱腹板主要還是以抗剪為主，腹板厚度對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性影響相對有限，為影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的次要參數(shù)。

6結(jié)語

本文依托實(shí)際工程，分別分析了上承式鋼筋混凝土拱橋矢跨比、拱軸系數(shù)、主拱混凝土強(qiáng)度等級、主拱截面構(gòu)造參數(shù)（高、寬及板厚）等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）矢跨比是影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)，從結(jié)構(gòu)安全、施工及景觀等方面考慮，取1/5～1/4為宜。

（2）拱軸系數(shù)為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的次要參數(shù)。

（3）主拱混凝土強(qiáng)度等級為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用較高強(qiáng)度等級混凝土。

（4）主拱截面高度、寬度及頂板厚度為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩(wěn)定性的主要參數(shù)，腹板厚度為次要參數(shù)，從結(jié)構(gòu)安全、施工方便及經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，主拱截面構(gòu)造參數(shù)尺寸可相對取大值，但不宜過大。

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作者簡介：溫守果（1985—），工程師，主要從事公路工程管理工作。

收稿日期：2024-05-16