淺析上承式葵花形拱橋設計

摘要：上承式混凝土葵花形拱橋，主橋由兩側的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，主橋全長312m。兩側岸跨主拱與岸跨縱梁剛接形成曲梁，為一端簡支一端固結的預應力混凝土曲線箱梁;中間的四跨連拱為空腹式箱形拱，并在墩頂主拱上設腹拱;拱上建筑為預應力混凝土連續箱梁。為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強預應力鋼絞線系桿+現澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力。針對結構的特點建立空間有限元模型，結構計算分析表明：該橋各主要構件受力及橋梁剛度、整體穩定性均滿足規范要求。該橋的成功建設可為同類橋梁設計和施工提供范例。

關鍵詞：葵花形拱橋;箱梁;剛度;橋梁設計

一、工程概況

本項目位于珠江三角洲平原，沿線軟土廣泛分布。由于軟土地基承載性能較差，為平衡拱腳的不平衡水平推力，采用“高強預應力鋼絞線系桿+現澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力，管樁與橋墩豎向軸線夾角為12度;預應力系桿設置于上部橋面縱梁箱內，預應力系桿貫穿主橋全橋，兩端錨固在岸跨梁中橫隔梁上。

二、主要技術標準

道路等級：城市主干道。

設計荷載：城市A級。

設計洪水頻率：1/300。

通航標準：通航等級：VI級（3等）， 通航凈空為BxH =2x38mx6m。

三、主橋結構設計

（一）總體布置

主橋由兩側的岸跨拱梁及中間的四跨連拱組成，跨徑組合為（40+4x58+40）m，全長312m，橋梁全寬40.9m，分為左右兩幅橋，單幅橋寬19.85米。

（二）縱梁

縱梁全長共272m，為23跨預應力混凝土單箱雙室的連續箱梁，跨徑組合為：（16.5+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+17+2x8.5+17+7+16.5）m。

（三）岸跨拱梁

岸跨主拱采用四次拋物線為拱軸線，為單箱雙室等截面箱型拱，截面高1.6m，矢跨比為1/6。

（四）主跨主拱

主拱拱軸線采用四次拋物線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.6m，拱頂處截面高1.2m，矢跨比為1/7。

（五）腹拱

腹拱拱軸線采用橢圓線，為單箱雙室變截面箱型拱，拱腳處截面高1.1m，拱頂處截面高0.8m。

（六）體外預應力系桿

體外預應力系桿位于連續縱梁及岸跨梁箱內，錨固于橋梁兩端岸跨梁中橫梁處，鋼絞線系桿采用XGK15-37B可換索式成品索體，鋼絞線標準強度為1860MPa，一幅橋設置8束，全橋共設置16束。

（七）下部結構

墩身采用矩形截面實體墩，側立面采用圓倒角接順主拱弧線，墩身橫橋向與主拱同寬為11.35m（含邊腹板外側各0.25m長的裝飾凹槽）。橋邊墩基礎采用6根D250cm鉆孔灌注樁和8根D100cm預制管樁，預制管樁與豎向軸線夾角為12度，承臺厚度為250cm;橋次邊墩和中墩基礎采用6根D200cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為250cm。

四、結構分析計算

（一）模型建立

采用計算軟件MIDAS-Civil。取半幅橋進行結構計算。

主、腹拱、縱梁、橋墩及承臺均采用空間梁單元進行離散;體外預應力系桿采用索單元施加初拉力進行模擬;樁基礎及高強預應力斜樁聯合作用通過計算群樁作用下承臺底的等效出口剛度，并將此剛度值施加于承臺底單元節點;體外預應力系桿與岸跨縱梁及縱梁間的定位及轉向通過節點間的彈性連接體系實現;拱上縱梁與拱間連接通過節點間的彈性連接體系實現。

（二）參數取值及荷載組合

考慮混凝土收縮、徐變效應，計算荷載有：恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載。參數取值如下：

1、恒載：主梁C60混凝土重度取26kN/m3。

2、預應力：預應力鋼束采用?s15.2低松弛鋼絞線，fpk =1860 MPa，設計錨下張拉控制應力為0.75fpk =1395MPa，預應力鋼束與管道壁摩擦系數μ 取0.17，管道每米局部偏差的摩擦影響系數k 取0.0015m-1，張拉端錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值取6mm。

3、混凝土收縮、徐變：年平均相對濕度取70%。

4、溫度荷載：整體升、降溫按升溫20℃、降溫20℃計算。主梁考慮溫度梯度，取正溫度梯度10 ℃、負溫度梯度10℃計算。

（三）主要分析結果

1、岸跨拱梁

岸跨拱梁短期效應組合上緣最大拉應力為1.074MPa，下緣未出現拉應力;短期效應組合最大主拉應力為1.07MPa;岸跨拱梁長期效應組合最大主壓應力為14.54MPa，承載能力極限狀態基本組合下內力值均不超過抗力值，均滿足規范要求。

2、拱圈

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求，鋼筋混凝土構件II類環境最大裂縫限值為0.2mm。主拱單元最大裂縫為0.164mm，腹拱最大裂縫寬度為0.13mm，承載能力極限狀態基本組合下內力值均不超過抗力值，均滿足規范要求。

3、縱梁

縱梁短期效應組合上緣最大拉應力為1.234MPa，下緣最大拉應力為0.732MPa，短期效應組合最大主拉應力為1.235MPa，長期效應組合最大主壓應力為10.4MPa，承載能力極限狀態基本組合下內力值均不超過抗力值，滿足規范要求。

五、結語：

拱橋因其優美的造型及經濟性，是橋梁設計常選的橋型，但拱橋是有推力的超靜定結構，特別是矢跨比較小的鋼筋混凝土上承式拱，拱腳有很大的水平推力，在軟土地基上建拱的技術難度很高。本橋采用“高強預應力鋼絞線系桿+現澆砼灌注樁+預應力砼預制斜管樁”相結合來抵抗水平推力，取得了良好的效果，本工程的順利施工可供今后類似工程參考借鑒。

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