葵花拱桥腹拱结构设计参数的选取

汪学明，邓红梅

（安徽宏泰交通工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

拱桥[2-3]作为一种人类应用较早且较广泛的桥型之一，具有“历史悠久、结构坚固、造型美观”等特点。在拱桥早期发展过程中，以石拱桥、木拱桥为主要类型，随着工业技术的迅猛发展，有别于传统材料、传统体系的拱桥也得到迅速发展，尤以混凝土结构、钢结构以及钢混组合结构的拱桥最为突出，在结构材料性能大为改善的同时，桥型体系也有了各式各样的创新与突破，在满足使用功能的前提下，人们对于桥梁美学的要求也越来越高，景观桥应运而生。

本文所阐述的葵花拱桥是一种新型拱桥，是力与美的一种完美结合。采用曲线腹拱代替原有主拱拱上立柱或立墙，葵花拱桥从视觉上给人一种主腹拱交错重叠的层次感，并因结构造型形似向日葵花瓣而得名[4-5]。但是将原来的类似均匀分布的多个立柱更换为腹拱，即其对主拱的作用力由近似均布多个竖向力转变为仅作用于腹拱拱脚处的单个集中力，同时腹拱对主拱产生一水平推力作用，使得结构的受力形式变得复杂[6-7]。本文以一座五跨葵花拱桥为例，研究分析腹拱结构设计参数的选取对于桥梁结构内力的影响，从而合理的选取腹拱设计参数。

2 工程概况

本文以某城市郊区一座五跨葵花拱桥为工程实例，该桥所在道路为二级公路，设计行车速度为60km/h。该桥由两侧的岸跨拱梁和中间三跨连拱组成，跨径组合为（17+3×30+17）m，桥梁全长 130m，桥梁整幅全宽15m。由于桥梁主跨跨径较小，所以桥梁采用钢筋混凝土结构，主、腹拱圈以及桥面板均采用实心板，主、腹拱圈拱轴线[8]均采用圆曲线，主拱矢跨比[9,10]为1/5.8，主、腹拱圈均为无铰拱，主拱拱脚与桥墩固结，腹拱拱脚与主拱拱圈固结。两侧岸跨主拱与岸跨纵梁刚接形成曲梁，为一端简支一端固结的混凝土板梁，中间的三跨连拱在墩顶主拱上设腹拱，并在主、腹拱拱顶合适位置设置支座，拱上建筑为混凝土连续板梁（以下简称连续纵梁），连续纵梁放置于拱上支座上。

为平衡拱脚的不平衡水平推力，采用“高强预应力钢绞线系杆+群桩基础”相结合来抵抗水平推力。预应力系杆设置于上部桥面纵梁内，预应力系杆贯穿连续纵梁，两端锚固在岸跨梁梁端。

桥梁总体布置图如图1所示，连续纵梁及拱上支座布置图如图2所示。

图1 桥梁总体布置图

图2 连续纵梁及拱上支座布置图

本文采用有限元软件midas civil 2015对其进行模拟分析研究腹拱结构设计参数的选取对于桥梁结构内力的影响。有限元模型如图3所示。

图3 桥梁有限元模型

3 计算分析

本文主要从矢跨比和跨径两个影响因素来分析研究腹拱结构设计参数对自身结构内力以及主拱圈内力的影响规律。图4所示为相同矢跨比（ξ=f/L=1/5.4）下，三种不同腹拱跨径（L1=11.5m、L2=10.0m、L3=8.5m）示意图，图5所示为相同腹拱跨径（L=10.0m）下，三种不同矢跨比（ξ1=1/4.1、ξ2=1/5.4、ξ3=1/6.5）示意图。

图4 相同矢跨比不同跨径示意图

图5 相同跨径不同矢跨比示意图

3.1 跨径对结构内力影响规律分析

由于桥梁结构为对称结构，因此图表数据结果仅显示结构的一半（本次仅研究分析主、腹拱圈的受力情况，故图表结果中未显示桥面连续纵梁的受力情况）。

①L1=8.5m

图6 1/2结构主、腹拱圈轴力图（L1=8.5m）

图7 1/2结构主、腹拱圈弯矩图（L1=8.5m）

②L2=10.0m

图8 1/2结构主、腹拱圈轴力图（L2=10.0m）

图9 1/2结构主、腹拱圈弯矩图（L2=10.0m）

③L3=11.5m

图10 1/2结构主、腹拱圈轴力图（L3=11.5m）

图11 1/2结构主、腹圈拱弯矩图（L3=11.5m）

由图6、图8、图10可看出，随着腹拱跨径的增大，在拱脚、主腹拱交接处、拱圈1/4处以及拱顶等重要节点处，除边主拱圈轴力无明显变化外，其余主、腹拱圈的轴力都呈明显增大趋势；由图7、图9、图11可看出，随着腹拱跨径的增大，边主拱1/4处弯矩由负弯矩渐变至正弯矩，主腹拱交接处正弯矩递减，拱脚处负弯矩值递增，主拱1各节点处弯矩值递增，主拱2拱脚和主腹拱交接处弯矩值递增，1/4处弯矩值由负弯矩渐变至正弯矩，拱顶处弯矩值由正弯矩递减至负弯矩，腹拱1各节点处弯矩值递减，腹拱2拱脚和拱顶处弯矩值递增，1/4处弯矩值递减。由此可见，随着腹拱跨径的增大，主腹拱圈轴力和主拱圈弯矩呈现整体增大趋势（部分节点除外），腹拱圈弯矩呈整体减小趋势（部分节点除外），故腹拱跨径的选择应结合轴力和弯矩两方面来考虑，选取最优值。

3.2 矢跨比对结构内力影响规律分析

①ξ1=f/L=1/4.1

图12 1/2结构主、腹拱圈轴力图（ξ1=1/4.1）

图13 1/2结构主、腹拱圈弯矩图（ξ1=1/4.1）

②ξ2=f/L=1/5.4

图14 1/2结构主、腹拱圈轴力图（ξ2=1/5.4）

图15 1/2结构主、腹拱圈弯矩图（ξ2=1/5.4）

③ξ3=f/L=6.5

图16 1/2结构主、腹拱圈轴力图（ξ3=1/6.5）

图17 1/2结构主、腹拱圈弯矩图（ξ3=1/6.5）

由图12、图14、图16可看出，随着矢跨比的减小，在拱脚、主腹拱交接处、拱圈1/4处以及拱顶等重要节点处，除主拱拱脚处轴力递减外，其余主、腹拱圈的轴力都呈增大趋势；由图13、图15、图17可看出，随着矢跨比的减小，除主拱2和腹拱1的拱顶、拱脚处弯矩值呈递减趋势，其余主、腹拱圈的弯矩值都呈递增趋势。由此可见，随着矢跨比的减小，主腹拱圈轴力和弯矩呈现整体增大趋势（部分节点除外），故腹拱矢跨比的选择应结合轴力和弯矩两方面来考虑，选取最优值。

4 小结

本文以某城市郊区一座五跨葵花拱桥为工程背景，采用有限元软件进行建模分析研究葵花拱桥腹拱跨径和矢跨比对桥梁结构内力的影响规律。研究表明，腹拱跨径和矢跨比在一定范围内变化对葵花拱桥主、腹拱圈内力的影响呈规律性变化。在实际的工程应用中，由于目标函数的复杂性以及影响参数的多样性，我们常常综合各项影响因素选取最优设计参数。本文的研究结果可为今后类似工程问题提供参考依据。