浅析上承式葵花形拱桥设计

摘要：上承式混凝土葵花形拱桥，主桥由两侧的岸跨拱梁及中间的四跨连拱组成，跨径组合为（40+4x58+40）m，主桥全长312m。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预应力混凝土曲线箱梁;中间的四跨连拱为空腹式箱形拱，并在墩顶主拱上设腹拱;拱上建筑为预应力混凝土连续箱梁。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+现浇砼灌注桩+预应力砼预制斜管桩”相结合来抵抗水平推力。针对结构的特点建立空间有限元模型，结构计算分析表明：该桥各主要构件受力及桥梁刚度、整体稳定性均满足规范要求。该桥的成功建设可为同类桥梁设计和施工提供范例。

关键词：葵花形拱桥;箱梁;刚度;桥梁设计

一、工程概况

本项目位于珠江三角洲平原，沿线软土广泛分布。由于软土地基承载性能较差，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+现浇砼灌注桩+预应力砼预制斜管桩”相结合来抵抗水平推力，管樁与桥墩竖向轴线夹角为12度;预应力系杆设置于上部桥面纵梁箱内，预应力系杆贯穿主桥全桥，两端锚固在岸跨梁中横隔梁上。

二、主要技术标准

道路等级：城市主干道。

设计荷载：城市A级。

设计洪水频率：1/300。

通航标准：通航等级：VI级（3等）， 通航净空为BxH =2x38mx6m。

三、主桥结构设计

（一）总体布置

主桥由两侧的岸跨拱梁及中间的四跨连拱组成，跨径组合为（40+4x58+40）m，全长312m，桥梁全宽40.9m，分为左右两幅桥，单幅桥宽19.85米。

（二）纵梁

纵梁全长共272m，为23跨预应力混凝土单箱双室的连续箱梁，跨径组合为：（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

岸跨主拱采用四次抛物线为拱轴线，为单箱双室等截面箱型拱，截面高1.6m，矢跨比为1/6。

（四）主跨主拱

主拱拱轴线采用四次抛物线，为单箱双室变截面箱型拱，拱脚处截面高1.6m，拱顶处截面高1.2m，矢跨比为1/7。

（五）腹拱

腹拱拱轴线采用椭圆线，为单箱双室变截面箱型拱，拱脚处截面高1.1m，拱顶处截面高0.8m。

（六）体外预应力系杆

体外预应力系杆位于连续纵梁及岸跨梁箱内，锚固于桥梁两端岸跨梁中横梁处，钢绞线系杆采用XGK15-37B可换索式成品索体，钢绞线标准强度为1860MPa，一幅桥设置8束，全桥共设置16束。

（七）下部结构

墩身采用矩形截面实体墩，侧立面采用圆倒角接顺主拱弧线，墩身横桥向与主拱同宽为11.35m（含边腹板外侧各0.25m长的装饰凹槽）。桥边墩基础采用6根D250cm钻孔灌注桩和8根D100cm预制管桩，预制管桩与竖向轴线夹角为12度，承台厚度为250cm;桥次边墩和中墩基础采用6根D200cm钻孔灌注桩，承台厚度为250cm。

四、结构分析计算

（一）模型建立

采用计算软件MIDAS-Civil。取半幅桥进行结构计算。

主、腹拱、纵梁、桥墩及承台均采用空间梁单元进行离散;体外预应力系杆采用索单元施加初拉力进行模拟;桩基础及高强预应力斜桩联合作用通过计算群桩作用下承台底的等效出口刚度，并将此刚度值施加于承台底单元节点;体外预应力系杆与岸跨纵梁及纵梁间的定位及转向通过节点间的弹性连接体系实现;拱上纵梁与拱间连接通过节点间的弹性连接体系实现。

（二）参数取值及荷载组合

考虑混凝土收缩、徐变效应，计算荷载有：恒载、汽车荷载、人群荷载、温度荷载。参数取值如下：

1、恒载：主梁C60混凝土重度取26kN/m3。

2、预应力：预应力钢束采用?s15.2低松弛钢绞线，fpk =1860 MPa，设计锚下张拉控制应力为0.75fpk =1395MPa，预应力钢束与管道壁摩擦系数μ 取0.17，管道每米局部偏差的摩擦影响系数k 取0.0015m-1，张拉端锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值取6mm。

3、混凝土收缩、徐变：年平均相对湿度取70%。

4、温度荷载：整体升、降温按升温20℃、降温20℃计算。主梁考虑温度梯度，取正温度梯度10 ℃、负温度梯度10℃计算。

（三）主要分析结果

1、岸跨拱梁

岸跨拱梁短期效应组合上缘最大拉应力为1.074MPa，下缘未出现拉应力;短期效应组合最大主拉应力为1.07MPa;岸跨拱梁长期效应组合最大主压应力为14.54MPa，承载能力极限状态基本组合下内力值均不超过抗力值，均满足规范要求。

2、拱圈

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求，钢筋混凝土构件II类环境最大裂缝限值为0.2mm。主拱单元最大裂缝为0.164mm，腹拱最大裂缝宽度为0.13mm，承载能力极限状态基本组合下内力值均不超过抗力值，均满足规范要求。

3、纵梁

纵梁短期效应组合上缘最大拉应力为1.234MPa，下缘最大拉应力为0.732MPa，短期效应组合最大主拉应力为1.235MPa，长期效应组合最大主压应力为10.4MPa，承载能力极限状态基本组合下内力值均不超过抗力值，满足规范要求。

五、结语：

拱桥因其优美的造型及经济性，是桥梁设计常选的桥型，但拱桥是有推力的超静定结构，特别是矢跨比较小的钢筋混凝土上承式拱，拱脚有很大的水平推力，在软土地基上建拱的技术难度很高。本桥采用“高强预应力钢绞线系杆+现浇砼灌注桩+预应力砼预制斜管桩”相结合来抵抗水平推力，取得了良好的效果，本工程的顺利施工可供今后类似工程参考借鉴。

参考文献：

[1]潘少冬. 连续梁拱组合体系桥应用实践[ J] .铁道建筑，2006，10： 21-22.

[2]金成棣. 预应力混凝土梁拱组合桥梁[ J] .设计研究与实践[M ] . 北京： 人民交通出版社，2001.

[3]高吉才，金庆利.大跨径PC变截面连续梁设计要点探讨 [J].中外公路，2010（6）.

[4]汪学著.宣城市凤凰桥设计[J].世界桥梁，2011（3）.

[5]CJJ_11-2011 城市桥梁设计规范[S].

[6]黄晟 凤凰二桥工程设计分析[D].