腹拱設計對連拱結構受力的影響分析

摘 要 連拱結構經久耐用，造型古典優美，被廣泛應用于公園等場景的景觀橋梁設計。為減輕拱上結構自重，往往設計為空腹式。本文以某九孔連拱橋設計實例，采用有限元橋梁計算軟件，分析腹拱采用兩鉸拱與無鉸拱設計時對主拱結構受力的影響。

關鍵詞 腹拱設計;連拱結構;受力

1工程概況

上部結構采用9×18m空腹式鋼筋砼板拱，主拱凈跨徑16m，凈矢高4m，矢跨比為1/4，拱軸線采用圓弧拱，拱圈厚0.6m。腹拱凈跨徑2m，凈矢高0.5m，矢跨比為1/4，拱軸線采用圓弧拱，拱圈厚0.25m。橋面橫向布置為4.5m風雨走廊人行道+3m非機動車道+4.5m風雨走廊人行道，總寬12m。下部結構橋臺采用U臺，承臺接樁基礎，每個橋臺下設8根D1.5m樁基礎，橋墩采用實體墩，敦厚2.2m，承臺接樁基礎，其中3號、6號墩為制動墩，每個制動墩下設8根D1.5m樁基礎，其余橋墩每個墩下設4根D1.5m樁基礎，樁基按鉆孔摩擦樁設計[1]。

2建設條件

2.1 主要技術標準

①道路等級：人非混行道。②設計車道：兩側4.5m人行道+中間3m非機動車道。③結構設計基準期：100年。④結構安全等級：一級，結構重要性系數γ0=1.1。⑤設計荷載：汽車荷載等級（非機動車道驗算荷載）：公路—Ⅰ級;人群荷載：3.5kN/m2。

2.2 地質條件

本橋地質條件為：淤泥（Q4al）層厚0.30～3.20m，粉質黏土（Q4al+pl）埋深0～6.80m，層厚1.80～11.40m，細砂（Q3al+pl）埋深19.20～23.70m，層厚1.70～3.40m，卵石（Q3al+pl）埋深13.20～18.30m，揭露厚度16.30～25.50m。場地類別為Ⅱ類，地震動峰值加速度0.05g，設計地震分組為第一組[2]。

3計算分析

3.1 結構模擬

結構整體計算采用MIDAS CIVIL 2017軟件，主拱，腹拱，墩臺、樁基等構件均模擬為梁單元。側墻、填料及橋面板僅計入自重影響，不考慮其聯合作用，釋放單元兩端約束My及Mz。由于本橋地質條件一般，需考慮樁基與土約束的聯合作用模擬基礎剛度，樁基礎彈簧剛度根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》計算取值。本文分析探討兩種腹拱方案：方案一腹拱按兩鉸拱設計，腹拱圈采用釋放兩側拱腳單元梁端約束My模擬拱腳設鉸;方案二腹拱按無鉸拱設計，腹拱圈采用兩側拱腳單元與拱座或立柱剛性連接模擬拱腳無鉸。全橋模型如圖2所示。

3.2 計算結果

計算結果考慮以下三種工況，工況一：恒載作用;工況二：活載作用（車道荷載+人群荷載）;工況三：恒載作用+活載作用。主拱軸力、彎矩、豎向變形及橋梁墩臺水平力結果見表1-表4。

3.3 結果分析

通過以上結果可以看出兩個方案除主拱拱腳截面軸力基本相當外，方案一較方案二在主拱拱頂截面軸力、主拱彎矩及主拱拱頂豎向位移均稍大，其中拱腳截面處的彎矩方案一較方案二大約50%。 兩方案在墩臺處產生的水平在橋墩處基本相當，在橋臺處方案一較方案二稍大[3]。

4結束語

由于兩鉸腹拱方案結構整體剛度較無鉸腹拱方案小，所以雙鉸腹拱方案主拱內力較無鉸腹拱方案大。但是由于空腹式拱橋腹拱病害非常突出，腹拱的連拱效應又難以簡單實用的模擬計算，所以，設計時應根據橋梁具體特點仔細研究確定腹拱采用雙鉸拱還是無鉸拱。

參考文獻

[1] 杜岳濤，張長江，劉海鵬，等.空腹式拱橋腹拱力學性能研究.[J]湖南交通科技，2016（2）：137-139，150.

[2] 杜永超.空腹式鋼筋混凝土連拱橋結構計算與設計研究.[J]山西建筑，2014（9）：193-194.

[3] 王國鼎.拱橋連拱計算（第三版）[D].北京：人民交通出版社，1983：76.

作者簡介

詹先境（1987-），男，湖南慈利人;學歷：本科，職稱：工程師，現就職單位：創輝達設計股份有限公司，研究方向：橋梁設計。