鋼筋混凝土箱形無鉸拱拱軸線與拱上建筑優化研究

江浩偉，朱華棟

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000)

鋼筋混凝土箱形無鉸拱拱軸線與拱上建筑優化研究

江浩偉1，朱華棟2

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000)

以240 m跨的斜拉懸澆拱橋貴州沙坨特大橋為工程背景，采用簡支T梁和全橋不分聯鋼-混組合梁并根據結構參數確定拱軸系數并優化后進行有限元靜力計算，分析拱上建筑輕型化與拱軸系數對橋梁結構的靜力的影響，優化拱圏內力，向超大跨徑發展提供一個有效途徑。

拱軸線；拱軸系數；鋼筋混凝土拱橋；拱上建筑；輕型化

1 工程背景

沙坨特大橋位于貴州沿河縣，設計荷載為公路-Ⅰ級，橋面凈寬為：2.25 m(人行道)+0.5 m(路緣帶)+2×3.5 m(車行道)+0.5 m(雙黃線)×2，總寬20 m。橋梁采用上承式混凝土箱拱，計算跨徑242.7 m，計算矢高40.45 m，矢跨比1/6，懸鏈線拱軸系數m=1.85。拱上立柱設置18對，主梁共設置19孔13.2 m預應力混凝土空心板，分為四聯，每聯均采用橋面連續，采用C50混凝土。

2 試設計方案

2.1 立柱

立柱縱橋向間距28 m，(1)8#立柱截面尺寸(1.5 m×1.2 m)×2根；(2)7#立柱截面尺寸(1.4 m×1.2 m)×2根；(3)6#立柱截面尺寸(1.2 m×1.2 m)×2根；(4)5#號立柱采用原設計立墻尺寸。梁采用T梁和鋼混組合梁兩種。

2.2 T梁

主梁采用10片跨徑28 m的預應力混凝土簡支T梁，梁高1.8 m，間距2 m，每4.5 m設置一道厚0.3 m橫隔板，采用C50混凝土。

2.3 鋼-混組合梁

采用單跨28 m無板托的等截面工字鋼-混凝土組合連續梁結構形式，全跨不分聯，每跨設置10片梁。每片組合梁混凝土頂板厚12 cm，鋼腹板高130 cm，厚3 cm。為防止鋼梁失穩，每隔每4.5 m設置一道厚3 cm豎向加勁肋。其鋼材和混凝土分別采用Q345和C50。

3 拱軸系數的選取

在設計空腹式拱橋時，空腹式鋼筋混凝土拱橋常用懸鏈線為拱軸線。本文采用“五點重合法”和基于APDL的拱軸系數的優化兩種方法確定拱軸系數。

(1)“五點重合法”。

(2)基于APDL的拱軸系數的優化。

一種采用彎曲能量原理法來優化鋼筋混凝土箱形拱橋拱軸系數的方法，以需要優化的拱軸系數作為設計變量，同時指定其上下限，懸鏈線拱的拱軸系數的合理取值范圍一般為1.167～2.814，以拱圏的最大應力和最小應力為狀態變量，以彎曲應變能為目標函數來進行求解，T梁和鋼-混組合梁方案拱軸系數m計算結果分別為1.736和1.748。

(3)另選取拱橋常用拱軸系數1.988方案進行結果對比分析。

4 靜力分析

4.1 有限元分析

采用大型通用有限元軟件Midas Civil對各設計方案進行建模。其中拱圈、拱上立柱和橋道系采用梁單元進行模擬，橋道系與蓋梁之間采用彈簧連接，蓋梁與拱上立柱之問及拱上立柱與拱圈之間采用剛臂連接。

4.2 結構靜力分析

結合試設計方案拱上建筑結構自重的統計，對各方案在承載能力極限狀態下拱圈內力和撓度最大值進行計算，以此來評價試設計方案受力的合理性。與原設計相比，T梁和組合梁占橋總自重的比例由47%降為34%和29%。拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應力、最大撓度分別比原設計小29.2%(35.4%)、28.1%、28.9%、17.3%。

T梁和鋼混梁拱軸系數優化后方案，拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應力、最大撓度分別比原設計小32.4%(38.4%)、28.4%、30.4%、19.1%，可知此方案最優。

5 結 論

(1) 采用T梁和鋼混組合梁替換原設計的板結構梁，使得拱上建筑的自重大幅度減小。靜力計算結果與原設計方案相比，鋼混組合梁拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應力、最大撓度比原設計小23.6%(25.5%)、27.6%、28.9%、13.9%。

圖1 優化拱軸系數方案靜力計算結果與原方案結果比值圖

(2) 在根據拱上建筑輕型化的方案計算拱軸系數，對比不同拱軸系數靜力計算結果，其結果比只對拱上建筑輕型化方案更優。

(3) 拱上建筑不變，拱軸系數的變化對軸力影響較小，基本處于同一水平。

[1] 卓小麗.懸拼鋼筋混凝土箱拱合理施工索力與拱軸線的優化研究[D].長沙理工大學，2015.

[2] 黃卿維，陳寶春等.混凝土拱橋拱上建筑輕型化研究[J].土木工程與管理學報，2012，29(1)，5-9.

[3] 邵旭東.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

2017-03-14

江浩偉(1992-)，男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向：橋梁結構分析與施工控制。

U442

：A

：1008-3383(2017)06-0093-01