大跨度風雨拱橋的設計研究

羅 剛，黃樹強，劉志軍

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中鐵二院貴陽公司，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

風雨橋是貴州、廣西、湖南、湖北等地獨具特色的侗族建筑，由橋、塔、亭組成，被稱為世界十大最不可思議橋梁之一，因行人過往能避風雨而得名。常規的風雨橋橋上風雨樓為木質結構，橋上荷載較小，且橋梁跨度一般在10～30 m[1]。銅仁市興市橋改擴建工程在既有橋兩側新建跨度為76 m的鋼筋混凝土拱橋，橋上設三層鋼筋混凝土框架結構風雨樓，風雨樓總重高達3 403 t。與一般拱上建筑為單層木質結構的風雨橋不同，該橋主拱結構具有跨度大、承受荷載大、剛度要求高、與拱上建筑聯合受力等特點。本文結合興市橋改擴建工程，對大跨度風雨拱橋關鍵技術進行了分析研究，為類似結構的設計和分析提供參考。

1 工程概況

銅仁市興市橋改擴建工程擬建新橋位于原橋兩側，分為左右幅，上跨錦江河，橋梁與河道正交。新建橋為人行橋，功能增加景觀樓，橋上設三層鋼筋混凝土框架風雨樓，第一、二層供人行，第三層為裝飾屋頂。橋式采用1×76 m鋼筋混凝土箱形拱，單幅橋面寬7.18 m，全長96.09 m。拱上結構為空腹式腹拱，下部構造采用拱座式橋臺，基礎采用樁基礎，主拱圈橫斷面為單箱雙室結構，拱圈為等截面懸鏈線。拱軸系數m=3.5，矢跨比f=1/7.5，拱箱全寬6.55 m、箱高2.0 m；主拱圈橫隔板采用30 cm、20 cm厚兩種，在橫墻及建筑立柱下為30 cm，其余為20 cm。主拱上腹拱分為端腹拱和一般腹拱，端腹拱按三鉸拱設計，其他腹拱按兩鉸拱設計[2-3]，如圖1所示。

圖1 興市橋實景照片

2 拱上建筑與主拱的相互作用影響分析

既有橋兩側新建銅仁市興市橋橋上三層鋼筋混凝土框架風雨樓高11.2 m（不含塔樓），框架柱橫向間距為6 m，框架柱身尺寸為0.4 m×0.45 m，鋼筋混凝土框架柱錨固于橋上與橋梁形成一個整體結構，在外力作用下將聯合受力、相互影響，為確保拱上建筑及主拱圈的結構安全需要對其相互作用影響進行分析。結構橫斷面如圖2所示。

2.1 主拱變形對拱上混凝土框架風雨樓的影響

銅仁市興市橋拱上三層鋼筋混凝土框架風雨樓為超靜定結構，對位移相當敏感，因此需要對主拱結構在各種工況下的變形進行分析，以確定主拱變形對拱上結構的影響，并對主拱的剛度提出一定的要求[4]。表1為主拱在各種工況下的變形計算結果。

圖2 橫斷面構造（單位：mm）

表1 主拱圈在各工況下的變形 mm

根據以上計算結果分析可知，主拱結構在收縮徐變、升降溫作用下，1/8L、1/4L、1/2L處結構的縱橋向變形值差別較小，而豎向變形值差異較大。為減小豎向位移對混凝土框架風雨樓的影響，根據分析結果，橋上混凝土框架風雨樓縱向共設置了4道結構縫以適應主拱圈變形，同時橋上的端腹拱按三鉸拱設計，其他腹拱均按兩鉸拱設計，以改善收縮徐變、升降溫作用下腹拱的受力狀態。

2.2 拱上建筑對主拱受力的影響

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）中第 4.3.1條規定，無鉸拱和雙鉸拱的計算可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯合作用，拱的計算如考慮拱上建筑與主拱圈的聯合作用，拱上建筑的結構應符合計算所預設的條件[6-7]。該橋拱上為三層混凝土框架風雨樓，樓高11.2 m，第一、二層供人行，第三層為裝飾屋頂。為分析拱上建筑與主拱圈的聯合作用效應，建立了兩個模型做對比分析，分別是模型一——裸拱和模型二——裸拱+腹拱+兩層框架，如圖3所示。

建立模型時為簡化處理，模型二中第三層裝飾屋面按荷載施加，兩個模型在最不利荷載組合工況下的主拱圈上下緣應力計算結果見表2。

圖3 計算模型

表2 主拱圈應力計算結果 MPa

由表2可知，考慮拱上建筑與主拱圈聯合受力后主拱圈上緣應力有了改善，拱頂上緣應力從15.7 MPa降到15.2 MPa，而拱腳上緣應力也有所改善，從0.7 MPa增加到0.9 MPa。值得注意的是，考慮了拱上建筑后主拱圈拱頂下緣應力更不利，從0.7 MPa降到0.2 MPa，主要是由于模型二考慮拱上建筑后結構整體剛度較大，在溫度作用下變形產生的效應，使主拱圈下緣更不利。因此對于拱上建筑影響較大時，除了建立裸拱模型計算分析外，建議建立整體模型對主拱圈的強度進行包絡計算。

3 拱軸系數取值分析

拱軸系數m反映拱軸線曲率的大小，當矢跨比確定以后，各點的豎向坐標就取決于拱軸系數m。拱圈軸線的形狀直接影響了內力的分布和大小，一般采用“五點重合法”確定懸鏈線的拱軸系數。該橋對拱軸系數進行了優選分析[7]，計算結果見表3。

表3 拱軸系數對拱圈受力的影響 kN

由上表可知，隨著拱軸系數的增大，拱頂彎矩增大，而拱腳彎矩減小。該橋通過對拱軸系數3.2～3.7時的主拱圈內力計算分析可知，當拱軸系數為3.5時拱圈的拱腳及拱頂受力較為合理，因此該橋的拱軸系數確定為3.5。

4 考慮P-del t a效應主拱結構分析

P-delta效應是指構筑物同時受到橫向力和軸力作用時，橫向力作用下產生的位移和軸力組合產生附加彎矩的效果。該橋主拱圈同時受到軸力作用和向下的豎向力，有必要考慮P-delta效應，以確保結構的合理性。表4是一般模型和考慮P-delta效應模型計算結果對比。

表4 P-delta效應計算結果對比 kN

由上表可知，考慮了P-delta效應后拱頂彎矩有所增加，拱腳、1/4L彎矩有所減小。

5 主拱結構穩定非線性分析

結構穩定問題一般分為兩大類：第一類穩定，是具有平衡分支的穩定問題，也叫分支點失穩；第二類穩定，是無平衡分支的穩定問題，也叫極值點失穩。由于第一類穩定是特征值問題，求解方便，在多數情況下兩類問題的臨界值相差不大，一般設計采用第一類穩定進行控制；但大跨橋梁結構不可避免地出現結構幾何非線性及材料非線性問題，還要進行第二類穩定分析，重點考慮結構的非線性問題。針對該橋大跨的特點，進行了第一類穩定和第二類穩定的分析[8-10]，見表5。

表5 穩定性分析結果

對于第一類穩定分析，規范要求穩定系數大于4～5，考慮幾何非線性和材料非線性后穩定系數要求大于2。從以上計算結果可知，該橋第一類穩定系數為22.7，考慮非線性后穩定系數為4.3，穩定性均滿足要求。

6 結 語

（1）對于無鉸拱和雙鉸拱的計算一般可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯合作用，但當拱上建筑為較復雜的超靜定結構時，需要分析主拱圈變形對拱上結構的影響，并采取相應措施，對主拱圈的受力也要考慮拱上結構的影響，與裸拱模型取最不利組合包絡控制設計。

（2）拱圈軸線的形狀直接影響了內力的分布和大小，當主拱的矢跨比確定后，應對拱軸系數m進行優選分析。

（3）當結構物同時受到橫向力和軸力作用時，橫向力作用下產生的位移和軸力組合產生附加彎矩的效果，應補充分析P-delta效應，以確保結構的合理性。

（4）大跨橋梁結構不可避免地出現結構幾何非線性及材料非線性問題，除了進行常規的第一類穩定分析外，還要進行第二類穩定分析，重點考慮結構的非線性問題。