葵花拱式梁拱組合橋設計研究

韋群 陸勇 張東波

摘要：文章以百色市百東新區(qū)東吉路景觀橋梁方案設計為研究對象，闡述葵花拱式梁拱組合橋與普通上承式拱橋的受力特點及區(qū)別，并結合桿系及實體計算分析對葵花拱式梁拱組合橋設計關鍵問題進行研究，為同類型的橋梁設計提供參考及借鑒。

關鍵詞：葵花拱;梁拱組合橋;設計研究

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.030

文章編號：1673-4874（2019）08-0111-03

0引言

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，人民物質文化生活的提高，城市的發(fā)展建設也越來越要求景觀性和適應性，特別是對城市橋梁的景觀要求也越來越高。各種造型特異，風格獨特的城市橋梁如雨后春筍般隨之出現。在城市中小跨徑橋梁中，梁橋因為結構簡單，施工方便，得到大量應用;上承式拱橋作為中國的古典橋型之一，其優(yōu)美的曲線和造型在城市中小跨徑橋梁中也備受青睞。而由梁橋與拱橋結合而成的梁拱組合橋作為一種新型橋梁，在城市中因其獨特的結構造型和受力特性也逐漸得到應用與發(fā)展。而葵花拱式梁拱組合橋，作為梁拱組合的其中一種，因其結構造型美觀，場地適應性較好等特點，在城市景觀橋梁中也逐漸被應用。

本文旨在通過實際項目的方案設計研究，結合桿系及實體計算分析對葵花拱式梁拱組合橋設計關鍵問題進行研究，為同類型橋梁設計提供參考及借鑒。

1工程背景

東吉路景觀橋梁位于百色市百東新區(qū)，跨越星湖水系，方案擬采用葵花拱式梁拱組合橋。橋梁全長108.72m，寬36.5m，兩幅橋布置，跨徑布置為（26.4+46.8+26.4）m，邊中跨比為0.564，中跨跨中梁高為1.6 m。其中，主孔拱軸線采用懸鏈線，凈跨45.0m，凈矢高5.922m，矢跨比1/7.6，邊跨凈矢高5。625m，矢跨比1/8，拱軸系數m=4.0，拱圈厚0.9m。腹拱為半徑8.0m圓弧拱，拱圈厚0.5m;拱頂總高1.168m，梁底按2.5次拋物線變高。主腹拱均采用矩形板拱，加勁梁采用整體式箱梁，橋墩采用實體墻式墩，橋臺采用肋板臺，基礎均采用鉆孔灌注樁。橋型總體布置如下頁圖1所示。

2葵花拱式梁拱組合橋的受力特點

普通上承式拱橋作為中國的古典橋型之一，在公路和市政橋梁上應用較多。其主要受力特點為在豎向荷載的作用下，拱腳將產生水平推力，由于水平推力的作用，使拱內產生軸向壓力，從而能大大地減小拱圈的截面彎矩，使拱成為偏心受壓構件，從而能充分利用拱圈材料的受壓強度。但隨著上部結構自重的增大，相應的拱腳水平推力也隨之增大，這樣就需要較強大的下部結構和較好的地基條件。同時上承式拱橋與同等跨徑的梁橋相比，上承式拱橋的建筑高度較高，橋下可利用空間較小。因此在平原地區(qū)和地質條件較差的地區(qū)，上承式拱橋適用空間較小。

與普通上承式拱橋相比，葵花拱式梁拱組合橋以連續(xù)梁為基礎，結合梁橋與拱橋的特點，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結構特點，將連續(xù)梁支點改為上弦用加勁梁承受拉彎作用，下弦采用拱承受壓彎作用，支點處挖空采用腹拱連接傳遞豎向力，剪力主要由拱的軸力提供的垂直分力承擔;同時利用梁作為系桿平衡拱的水平推力，使結構對外無水平推力。這樣就不需較大的下部結構和較好的地質條件來抵抗水平推力，同時能減小拱橋的上部結構重量，減小橋梁的建筑高度，因此可適用于平原地區(qū)和地質條件較差的地區(qū)。

3葵花拱式梁拱組合橋結構受力分析

本次結構受力分析主要采用桿系模型和實體模型進行計算分析。采用桿系模型進行全橋施工全過程分析，研究結構主要內力變化情況;采用實體模型進行成橋受力分析，研究結構在主要荷載作用下的應力分布情況。

3.1桿系計算分析模型

采用橋梁結構計算分析軟件Midas Civil建立桿系模型進行橋梁全過程分析計算，邊跨段及主跨中段采用梁單元模擬，邊拱、腹拱和主拱與加勁梁的連接采用彈性連接的剛接模擬，加勁梁兩端采用一般支承模擬支座邊界，橋墩樁基采用節(jié)點彈性連接模擬土體作用。計算模型如圖2～3所示。

3.2實體計算分析模型

采用仿真分析軟件Midas FEA建立全橋實體模型進行橋梁受力分析計算，計算荷載主要考慮自重、二期荷載等恒載作用，研究在荷載作用下橋梁結構的應力分布情況。計算模型如圖4所示。

3.3受力分析

3.3.1桿系模型受力分析

采用桿系模型分析各種荷載及作用下的結構內力，并按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進行相應荷載組合，分析結構的受力特點。結構在基本效應組合下的內力及變形情況如圖5～9所示。

（1）從橋梁結構基本組合內力圖可知，拱圈結構主要以受壓為主，彎矩及剪力較小;加勁梁主要以拉彎為主，整體剪力值較小，彎矩及剪力較大位置均處于梁拱結合處;加勁梁在腹拱頂由于腹拱的作用，彎矩值均較小，同時由于拱水平推力的作用，導致橋墩存在水平方向的剪力及墩底的彎矩。

（2）通過結構豎向變形可以看出，邊跨位移較中跨位移較小，邊跨端部相對于跨中向上翹起;從結構水平方向變形可以看出，由于中跨跨徑較大，拱的水平推力作用，將使加勁梁受拉，橋墩向兩邊跨變形。

3.3.2實體模型受力分析

實體模型主要分析恒載作用下橋梁結構的應力分布情況。計算分析結果如圖10～11所示。

從分析結果可以看出橋梁結構主拉應力較大且較集中的位置均為梁拱結合位置，應力分析結果與桿系模型內力分析結果一致。同時腹拱處受力較為復雜，主拉應力較大的位置均位于腹拱處。腹拱拱腳上部受拉，腹拱與加勁梁結合處，腹拱下側均受拉，且主拉應力由拱頂向梁拱結合處先減小后再增大，分析結果與桿系模型內力結果變化一致。

4葵花拱式梁拱組合橋設計研究

4.1設計控制截面及位置

4.1.1加勁梁

由上述桿系模型及實體模型受力計算分析可知，葵花拱式梁拱組合橋梁結構加勁梁受力的控制截面為關鍵節(jié)點位置。主要截面為加勁梁與主拱及邊拱結合的位置，在這幾個截面位置加勁梁彎矩及剪力均為最大值，控制著結構的受力設計。同時在腹拱頂梁段，加勁梁軸向拉力較大，梁主要按拉彎控制設計。

4.1.2拱結構

對于腹拱、主拱及邊拱，彎矩及剪力最大位置為拱腳和拱與加勁梁及腹拱結合處，截面主要受這幾個位置控制。同時由實體模型分析可知，腹拱與加勁梁結合處受力較為復雜，設計時應注意該部位的配筋設計。

4.1.3橋墩

橋墩控制截面主要為墩底截面，墩底彎矩最大。

4.2設計建議

（1）從結構豎向變形可以看出，結構邊跨相對于中跨上翹，設計時應選取合適的邊中跨比例，一般為中跨跨徑的0.5～0.7倍。當邊跨較小時應采取相應的措施避免支座受拉，如邊跨配重等。

（2）從結構水平方向變形和橋墩受力可以看出，由于主拱的水平推力作用會導致加勁梁受拉和橋墩向外變形，設計時應增加系梁，如增加加勁梁體內預應力束或者體外束平衡主拱的水平推力，減小橋墩的剪力及墩底彎矩。當采用體內束時可根據加勁梁的受力情況設置縱彎來調節(jié)主梁的受力狀況[2]。

（3）從桿系及實體分析可以看出，腹拱項加勁梁軸向拉力較大，設計時可在該段設置短預應力束平衡軸向拉力，但施工時應注意進行分段澆筑及張拉。腹拱兩邊應預留合龍段，當腹拱頂加勁梁施工張拉完預應力束后再進行腹拱合龍，避免張拉預應力束導致腹拱受拉開裂。

（4）從實體分析可以看出，腹拱與加勁梁結合處受力較為復雜，配筋設計時較為復雜，且鋼筋的布置會比較密，設計時可以采取加勁梁與腹拱斷開，在腹拱頂設置支座，這樣加勁梁及腹拱受力會比較簡單。

（5）由實體分析可知，在拱與拱以及拱與梁相交位置由于截面的突變，應力較為集中，建議在這些位置增加倒角處理，減小應力集中。

5結語

葵花拱式梁拱組合橋結合了梁橋與拱橋的特點，結構造型美觀，線形優(yōu)美，與周邊景觀及場地適應性較好，在現代城市景觀橋梁中具有較大的應用空間。本文通過葵花拱式梁拱組合橋內力及應力計算分析，對葵花拱式梁拱組合橋進行設計研究，對葵花拱式梁拱組合橋設計提出部分建議，對該類型的橋梁結構設計具有一定的借鑒意義。