葵形拱橋受力特性及優化分析

廖宸鋒

摘要：葵形拱橋是一種新興的上承式拱橋，其結構受力有別于常規的上承式拱橋。文章以某大跨徑葵形拱橋為例，對其受力特性進行分析，并依據其特點進行了相應的優化分析，可為同類橋型設計提供參考。

關鍵詞：葵形拱橋;受力特性;優化分析

0 引言

葵形拱橋是近20年才出現的一種新穎的上承式拱橋結構，其結構特點為取消立柱或斜撐，結構主要由主拱、腹拱組成，形成大拱疊加小拱的優美外型。由于其造型輕巧、優美，美學價值高，近年來得到了一定的應用。葵形拱橋因拱上建筑傳力點的減少以及集中，結構受力較一般上承式拱橋更復雜。

本文以某大跨徑葵形拱橋為例，分析此類橋型的受力特性及優化思路，為以后同類橋型設計提供有益參考。

1 項目概況

本項目為城市主干路上的橋梁，設計時速為40 km/h，汽車荷載為城-A級。

大橋橋型為葵形鋼筋混凝土箱形板拱橋，全長128.103 m，橋梁總寬26.5 m，拱橋凈跨徑L0=90 m，凈矢高f0=13.50 m，凈矢跨比f0/L0=1/6.666 7，主拱圈拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.988。拱圈高1.5 m，全寬25 m，橫向共分為14片拱肋，拱肋合龍后通過現澆縱縫形成整體板拱。見圖1。

主拱跨中34 m范圍為實腹段，實腹段兩側接有拱上箱梁和腹拱。

拱上箱梁為1孔23.5 m簡支箱梁，簡支箱梁一端支撐在腹拱上，另一端通過實腹段平臺支撐在主拱圈上。腹拱一端與主拱圈固結，另一端支撐在橋臺處。

2 結構受力特性分析

2.1 計算模型

采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立空間桿系分析模型。全橋共計624個節點，680個單元，主拱拱腳采用固結的形式，腹拱與主拱連接處采用共節點方式，腹拱與拱上箱梁、主拱實腹段與拱上箱梁采用彈性連接的邊界形式（見圖2）。

2.2 結構受力分析

根據全橋整體靜力計算，在基本組合作用下，結構內力計算結果如圖3～5所示。

由彎矩圖可知，拱結構彎矩關鍵截面為主腹拱節點處腹拱拱腳截面、主腹拱節點處主拱截面、腹拱拱頂截面，彎矩分別為120 705（kN·m）、110 213（kN·m）及108 129（kN·m），而主拱拱腳處截面彎矩為62 436（kN·m）。控制截面為主腹拱節點處腹拱拱腳截面，其彎矩約為主拱拱腳處截面彎矩的1.93倍，主拱拱腳截面與拱頂截面彎矩級數相當。

由剪力圖可知，拱結構剪力控制截面為主腹拱節點處腹拱拱腳截面，其次，腹拱拱頂截面剪力也較大。

綜上所述，本項目葵形拱橋的受力與常規的上承式拱橋有所區別，其控制截面不在主拱拱腳或拱頂，而是在主腹拱連接節點處，且腹拱是控制結構的重要構件。

3 腹拱設計優化分析

3.1 優化分析方案

如前所述，腹拱的受力關系著整個結構的安全，本文重點針對腹拱的設計優化進行分析，以確保結構安全。分析采用以下3種方案進行對比計算。

方案一：僅在腹拱跨中下緣布置42束15-12的鋼束（見圖6）。

方案二：在腹拱跨中下緣布置42束15-12的鋼束，并在腹拱斜腿的上緣布置68束15-5的鋼束（見下頁圖7）。

方案三：在腹拱上下緣布置通長的42束15-12的預應力鋼束（見下頁圖8）。

3.2 優化分析計算結果

受篇幅所限，以下僅給出3種方案在最不利荷載組合下，最不利截面主腹拱節點處腹拱截面的主要計算結果（見表1）。

由計算結果可知：

（1）三種布置方案的計算結果均能滿足規范要求。

（2）方案一雖然采用強配筋的方式也能滿足0.2 mm的裂縫控制要求，但其沒有設置上緣預應力鋼束，上緣拉應力較大，裂縫寬度接近限值。

（3）方案二在腹拱根部上緣增設了預應力鋼束，短期組合下的彎矩比方案一小，裂縫寬度也相對較小，拉應力也較小。

（4）由于預應力次內力效應，雖然方案二在基本組合下腹拱拱腳彎矩較方案一大，但其強度仍有足夠富裕。

（5）采用方案二和方案三均可減小腹拱拱腳上緣的裂縫寬度，其受力優化的性能也基本相當，并可避免束筋的焊接難題。雖然方案三略優于方案二，但其鋼束所用波紋管直徑較大，需要增大主拱圈縱筋的間距，不利于構造。

綜合考慮施工、耐久性等因素，不推薦采用方案一的形式。綜合比較各因素后，本項目采用方案二作為實施方案。

4 結語

通過該橋的分析可得出以下結論：

（1）葵形拱橋結構受力有別于常規上承式拱橋，其受力不利截面在主腹拱節點處，腹拱是控制設計的關鍵截面。

（2）葵形拱橋在設計時，應重點關注裂縫的控制計算，尤其是主腹拱連接節點處的主拱截面以及腹拱拱頂、拱腳截面的驗算。

（3）葵形拱橋腹拱應根據受力情況設置預應力鋼束，以改善整體結構的受力及控制結構裂縫寬度。

（4）腹拱設計中進行多方案的優化分析比選是必要的，并應結合計算結果及其他因素確定最終方案。

參考文獻：

[1]邵旭東.橋梁工程（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]陳萬里，王 璇.多跨葵型拱橋設計[J].交通世界，2017（16）：124-125.

[3]楊昌樹，鐘蜀暉.葵形拱橋結構受力分析[J].工程與試驗，2012（1）：1-4，30.

[4]王新生，辛玉升.鋼筋混凝土葵花拱橋有限元分析[J].公路交通科技（應用技術版），2009（1）：129-132.