三跨連續拱橋成橋階段參數敏感性分析

摘要：以某三跨連續鋼筋砼拱橋為背景工程，利用有限元軟件MIDAS CIVIL2015建立有限元模型，分析了拱圈容重、二期恒載、季節溫差、混凝土彈模、環境濕度等參數的敏感性，得到了上述參數對拱圈應力的影響及其變化規律。結果表明：混凝土容重、季節溫差、環境濕度為拱圈應力的主要敏感性參數，二期恒栽、混凝土彈性模量為拱圈應力的次要敏感性參數。此研究結果可為同類型拱橋提供設計參考。

關鍵詞：連續拱橋;參數敏感性;計算分析;支架現澆

中圖分類號：U442

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2019）24-0204-02

1 引言

拱橋由于造型優美，景觀融合性強，是城市景觀橋梁的首選橋型之一。本文以某三跨上承式鋼筋砼拱橋為背景工程，運用MIDAS CIVIL2015軟件建立梁單元模型，對該橋進行計算分析研究，分析結果可為類似橋梁提供設計參考。

2 梁單元模型

以某21. 53 m（邊拱）+26 m（主拱）+21. 53 m（邊拱）上承式鋼筋混凝土拱橋為工程背景，總體布置如圖1所示。拱圈采用矩形截面。主拱、邊拱厚度為0.7 m，腹拱、橋面板厚度為0.4 m，拱圈采用圓弧拱，拱圈矢跨比采用1/5。橋面寬度為14.5 m，橋面組成為0.34 m（護欄）+13. 82 m（凈寬）+0. 34 m（護欄）。主拱、邊拱與橋面板銜接采用沉降縫處理，縫寬20 mm，縫內填塞油毛氈，橋面鋪裝采用60 mm鋼筋混凝土現澆層+30mm水泥砂漿+60 mm廣場磚。現澆層與水泥砂漿層之間設1 mm防水層。橋梁斷面如圖2所示。本橋上部結構采用支架現澆，施工順序為澆筑主拱和邊拱→澆筑腹拱→澆筑橋面板→成橋[2]。

3 有限元模型簡介

采用數值分析軟件Midas/Civi12015建立本橋的數值分析模型，全橋共劃分為154個單元，167個節點。根據本橋受力特性，將主拱、邊拱、腹拱、橋面板均采用梁單元模擬，施工臨時支架采用豎向支撐模擬。邊界條件為拱腳固結，橋面板和主拱及邊拱的連接采用主從約束模擬，橋面板和腹拱的連接采用剛臂模擬。有限元模型如圖2所示[3]。

4 參數敏感性分析

選用表1的參數進行計算分析，基準狀態為設計狀態，分別改變某一參數，同時保持其他參數不變，進行有限元分析計算。模擬分析時，主要計算結構成橋狀態，以拱圈的應力為控制目標，并根據影響程度確定主要敏感性參數和次要敏感性參數。根據計算分析，主拱上緣的應力范圍為（-1.9，1.8）MPa（壓應力為一，拉應力為+），上緣最大拉應力位于拱腳，最大壓應力位于主拱跨中;主拱下緣的應力范圍為（-3.9，0.5）MPa（壓應力為一，拉應力為+），下緣最大拉應力位于主拱跨中，最大壓應力位于拱腳。

4.1 拱圈容重

以砼容重設計值26.O kN/m3為基準狀態，將容重分別增加5%、減小5%計算拱圈應力成橋狀態下的變化量。根據計算分析結果可知，混凝土容重增加5%，拱圈應力的最大變化量為0. 13 MPa;混凝土容重減小5%，拱圈應力呈相反變化的規律。整體變化規律為混凝土容重變化對拱圈應力的影響程度從拱頂至拱腳逐漸變大。

3.2 二期恒載

由于存在施工誤差，橋面可能會出現凹凸不平問題。為保證橋面標高達到設計標高，后期鋪裝厚度可能會變厚或變薄。以二期恒載設計值78.6 kN/m3為基準，分別將二期恒載增加5%、減小5%計算成橋狀態下拱圈應力的變化量。

根據計算分析結果可知，二期怛載增加5%，拱圈應力最大僅為變化量為0. 03 MPa;混凝土容重減小5%，上述控制目標呈相反變化。由應力變化量大小可知，拱橋的二期恒載對于成橋狀態的內力影響程度較小。

4.3 季節溫差

在橋梁的使用過程中，會受到季節性溫度變化的影響，季節性溫度變化主要引起結構的整體升溫和降溫。本文在計算模型中添加溫度荷載模擬季節性溫度變化，以體系溫度20℃為基準，整體升降溫按20℃考慮，計算成橋階段相應工況下拱圈應力的改變量。

根據計算分析結果可知，升溫20℃，拱圈應力最大為變化量為1.2 MPa;降溫20℃，上述拱圈應力變化量呈相反變化。整體變化規律為季節溫差變化對拱圈應力的影響程度從拱頂至拱腳先減小再增大。由拱圈應力變化量可知，季節溫差變化對成橋狀態的內力非常敏感。

4.4 環境濕度

引起混凝土收縮徐變的影響因素很多，計算模型當中很難準確模擬。本文選取環境濕度作為影響混凝土收縮徐變的唯一識別參數，以規范規定的70%相對環境濕度為基準，分別選取60%、80%的相對環境濕度計算成橋狀態下拱圈應力的改變量。

由計算結果分析可知，取60%環境相對濕度，拱圈應力最大為變化量為0. 58MPa。取環境相對濕度80%，可得到與上述類似相反規律。因此，環境濕度變化對成橋狀態拱圈的內力較為敏感。

4.5 混凝土彈模

以C40砼彈性模量設計值（3. 25×104 MPa）為基準，分別將彈性模量增大10%、減小10%，計算成橋時拱圈應力改變量。分析結果表明，砼彈性模量變化對于拱圈應力的影響很小。改變混凝土彈性模量，拱圈應力改變量均接近于O，故不再對上述結果詳細闡述。從計算分析結果可知，混凝土的彈性模量變化對鋼筋混凝土拱橋成橋狀態內力的影響甚微，但是在拱橋的施工過程中，仍要確保混凝土的彈性模量與設計要求一致。

5 參數敏感性分析匯總

根據上述各參數的敏感性分析，將各參數對于拱圈應力的影響情況匯總，如表2所示。

6 結語

通過建立背景工程的有限元模型，進行計算分析可知：混凝土容重、季節溫差、環境濕度為三跨連續拱橋成橋階段拱圈應力的主要敏感性參數，二期恒載、混凝土彈性模量為三跨連續拱橋成橋階段拱圈應力的次要敏感性參數。研究結果可為相同類型的拱橋提供設計參考案例。

參考文獻：

[1]衛康華，羅浩，楊盂剛.塔墩梁固結的三塔四跨矮塔斜拉橋成橋狀態力學參數研究[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（5）：988-996.

[2]蔣定衍，人行景觀拱橋拱圈受力分析[J].城市道橋與防洪.2018（8）：149-150.194 ，18.

[3]曹杰楨.城市景觀人行空間異形拱橋總體設計[J].城市道橋與防洪.2015（6）：77-80.11.

收稿日期：2019-11-12

作者簡介：黃文龍（1991-），男，碩士，工程師，主要從事道路橋梁設計工作。