人行景觀拱橋拱圈受力分析

蔣定衍

（上海市政設計研究總院集團佛山斯美設計院有限公司，廣東 佛山 528200）

0 引言

隨著城市的發展，城市綠地公園的建設越來越多，對景觀的要求也越來越高。而拱橋因為其造型優美、曲線圓潤、富有動態感、可很好地與周邊景觀融合等特點，成為大多數公園橋梁的首選橋型。

1 工程概況

某公園人行景觀橋為單跨混凝土上承式拱橋，跨徑為15 m，橋面總寬為5.0 m。拱圈線形采用矢跨比f/L=1/5.66的等截面圓弧（R=11.95m），厚度為60 cm。橋臺采用重力式，承臺厚1.5 m，基礎為直徑1.0 m的鉆孔灌注樁，等間距布置。橋面鋪裝總厚30～245 cm，其組成為3 cm厚花崗巖貼面+3 cm M10混凝土砂漿+24～239 cm輕質混凝土，在鋪裝與拱圈中間另設2 mm防水層。人行道兩旁設花崗巖欄桿。橋梁總體布置圖及拱圈斷面尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2 拱圈斷面構造圖（單位：cm）

2 桿系計算模型

以MIDAS/Civil建立了結構的平面桿系模型，拱圈部分共等分為31個單元，單個橋臺及承臺共劃分為7個單元，如圖3所示。樁基礎考慮以m法計算基礎的地基剛度，考慮樁基的彎剪耦合效應，以6×6彈性地基剛度矩陣進行模擬；二期恒載以及人群荷載以靜載方式中的單元荷載進行加載。

圖3 結構桿系模型

拱圈上下緣正應力計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 拱圈上緣正應力圖

圖5 拱圈下緣正應力圖

3 實體計算模型

根據橋梁的總體構造，以MIDAS/Civil建立了結構的三維實體模型，拱圈部位共劃分為188個實體單元，單個橋臺及承臺共劃分為334個實體單元，如圖6所示。樁基礎模擬同桿系模型；二期恒載以及人群荷載以靜載方式中的節點荷載進行加載。

圖6 結構實體模型

根據MIDAS/Civil分析軟件計算結果，為便于更直觀地觀察拱圈內的應力分布情況，分別以拱圈縱軸截面、拱頂橫截面以及拱腳橫截面做分析，如圖7～圖9所示。

圖7 拱圈X向正應力云圖（順橋向）

圖8 拱頂Y向正應力云圖（橫橋向）

圖9 拱腳Y向正應力云圖（橫橋向）

由圖7可知，拱圈拉應力出現在拱頂下緣以及拱腳的上緣，但是拱腳拉應力最大處并不是出現在拱腳與橋臺的交界處，而是出現在距離拱腳大約1.0 m處，主要是因為空間實體模型是考慮了橋臺混凝土對拱腳的套箍作用。由圖8及圖9可知，拱頂位置的應力在橫向并不均衡，而拱腳截面的應力橫向分布則相對較均勻。

從計算結果可以看出，拱圈的最大拉應力為4.259 MPa，可通過配置縱向受拉鋼筋以抵抗截面拉應力，將裂縫控制在規范允許范圍內。

4 計算結果對比分析

以拱圈上下緣正應力分布作為研究對象，對桿系模型與實體模型的計算結果進行比較，如圖10、圖11所示。

從兩圖的分析可知，在拱頂位置，兩種計算方法的應力趨勢基本一致，但是無論是上緣還是下緣，實體模型的計算結果均大于桿系模型，而拱腳位置的應力趨勢則有較大的差異，主要是因為實體模型充分考慮了結構的空間效應，更接近結構的實際受力情況，可提供更加可靠的設計理論依據。

5 結語

本文以某公園的人行景觀拱橋為背景，借助空間有限元分析軟件對結構分別建立平面桿系模型以及空間的實體模型，并對兩種方法的計算結果進行分析對比，以對橋梁結構進行嚴謹的設計，力爭避免出現同類型橋梁的弊病，保證橋梁在設計基準期內的安全。

圖10 拱圈上緣正應力對比圖

圖11 拱圈下緣正應力對比圖