整体式预应力葵花拱桥受力特点

金文成， 赵弘尧， 白金增， 秦 波

(1.华中科技大学 a.土木工程与力学学院； b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074；2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070)

葵花拱桥是一种新的桥型。桥梁结构优美，层次感强。在国外未见有此种桥型的相关报导，在国内近几年已有几个工程实例。例如，桂林新解放桥，江山迎宾大桥等。桂林新解放大桥2001年9月28日正式通车，全桥长283.6 m，宽45 m，为三跨空腹式连拱结构与两岸侧的曲梁组合体，跨径组合为(41.54+61+72+6l+41.54) m，设置体外索贯穿全桥[1]。江山迎宾大桥2007建成通车，桥梁全长305.5 m，其中主桥为(55+90+55) m上承式系杆葵花拱桥[2，3]。目前国内此种桥型均为非整体式系杆葵花拱桥，尚无整体式预应力葵花拱桥。

1 整体式预应力葵花拱桥特点

整体式预应力葵花拱桥与非整体式系杆葵花拱桥在结构和受力上有所不同，如图1示意图。以下通过两者的对比说明其特点。

图1 两种桥型结构特点对比示意图

1.1 非整体式系杆葵花拱桥

(1)桥面板(梁)不连续，由简支板或者几联连续梁组成[1～4]。通过在边拱、腹拱及主拱之间架设简支板或者连续梁，梁板与拱之间设支座连接；桥梁处两桥台外，可能存在多处伸缩缝。

(2)预应力束为体外无粘结索，称为系杆，其预应力比较低。体外索的张拉力通过岸跨粱传递到拱脚来平衡部分水平力[1]，对桥面板或主梁结构无作用效果。

(3)桥梁结构受力更简单，但整体性能较差。

(4)施工相对来说较简单方便。

1.2 整体式预应力葵花拱桥

(1)全桥桥面板(主梁)为整体式的，避免了设置多道伸缩缝，大大改善了行车的舒适度。

(2)整体式桥面板(主梁)内布置有粘结预应力束，预应力取值比系杆更高，控制张拉预应力可取0.75fpk，既能起到系杆的作用，平衡结构的水平推力[5～7]，同时可以很好的改善梁的受弯性能[8～10]。

(3)桥梁结构为拱式刚架体系，结构受力复杂，但是具有很好的整体性能。

(4)结构施工技术难度更大。

“湖北省应城市城南大道延长线工程”中，应城市富水河桥(已竣工)就采用了这种桥型。本文采用商业有限元软件对这种桥型做力学分析，进一步探索其受力特点。

2 工程概况

应城市富水河桥位于应城市城南区，跨越应城市富水河，东接应城市解放路，西接肖湾路，是应城市城区路网规划的重要组成部分。全桥长73.669 m，桥宽24 m，主结构采用拱式刚架体系，跨径布置为(17.137+32.274+17.137) m，边中跨比为0.53。其中，主孔拱轴线半径27.30 m，净跨30 m，净高4.55 m；边跨结构底缘线为半径27.30 m顺接直线。主跨与边跨之间设腹拱，腹拱为拱轴线半径10.09 m的圆曲线。桥型总体布置图如图2。

图 2 富水河桥总体布置/ cm

3 结构受力分析

3.1 预应力束设置

本桥桥面板高度为50 cm，桥面板纵向预应力沿横向均匀布置11束Φs15.2钢绞线，预应力束中心距桥面板下边缘10 cm，沿桥直线布置。张拉控制应力为1395 MPa 。

3.2 受力特点

富水河桥与国内现有几座葵花拱桥最大的不同之处在于，富水河桥拱梁刚性连接，充分体现其整体性能，预应力不仅仅作为系杆，与桥面板形成有粘结预应力，可以很好的改善桥梁结构的受力状况。

3.3 计算模型

富水河桥结构是整体式共刚架体系，边拱、腹拱、主拱和桥面板彼此之间的连接均采用刚接，结构仿真分析采用桥梁博士软件，设计结构有限元计算模型简图分别如图3。

图3 富水河桥有限元模型

富水河桥结构分析模型采用平面杆系模型，桥面板选用预应力砼单元，主拱、边拱、腹拱及桥墩均选用钢筋混凝土单元，两端设为可动支座边界，桥墩边界为弹性支座，系数根据实际情况加以估计。混凝土的杨氏模量参考所用混凝土的参数，泊松比0.3。

3.4 受力分析

国内已有的几座拱桥，由于桥面板(梁)为简支结构或者连续梁结构，且系杆对其无任何作用效果，两者是分开的体系，因此其内力及应力状态即为通常的简支或者连续梁结构受力特点。

本桥梁整体式桥面板在预应力作用效果下，其受力具有与之不同的特点。

通过仿真模拟计算，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)进行了相应的荷载组合，分析富水河桥的受力特点。

3.4.1基本组合内力

富水河桥基本组合效应下的内力情况如图4和图5。

图4 截面最大弯矩包络图/ kN·m

图5 截面最小弯矩包络图/ kN·m

从桥梁结构基本组合的内力(弯矩)图可以看出，结构内力的控制截面主要在几个关键节点等特殊位置处。对于拱结构，边拱主要在腹拱拱脚支撑位置处和边拱与桥面板固结位置处截面弯矩比较大；腹拱主要是拱顶与桥面板连接处弯矩比较大，为腹拱结构薄弱点；主拱主要在与桥面板固结位置处截面弯矩较大。对于桥面板结构，在桥面板与腹拱、主拱的连接点之间的桥面板跨度的中间位置及与腹拱、边拱的连接点之间的桥面板跨度的中间位置为最不利位置。因此对于这类桥型，这些截面受力是桥梁设计的控制截面。

3.4.2正常使用极限状况应力

观察整体式预应力桥面板在长期和短期效应组合下的应力状况，如图6～8。

图6 长期效应组合最大正拉应力

图7 短期效应组合最大正拉应力

图8 短期效应组合最大主拉应力

从以上几个应力图看出，在拱与桥面板连接点处或者附近，桥面板上缘拉应力都比较大；在桥面板与腹拱、主拱的连接点之间的桥面板跨度的中间位置及与腹拱、边拱的连接点之间的桥面板跨度的中间位置，桥面板下缘拉应力较大。但受桥面板预应力作用，其长期和短期组合拉应力均控制在较小的范围内。比较图6和图7可以看出，短期效应组合下桥面板上下缘最小应力从图形上看，相当于长期效应组合下应力图向下移动若干距离，也就是各截面中性轴位置向上缘移动，并且短期效应组合下上下缘最小应力图绝大部分分布在应力0MPa以下。从这一点可以看出桥面板应力状态还具有一定优化空间。

3.5 裂缝

本桥梁中拱结构均为钢筋混凝土结构，在正常使用极限状态荷载组合II下的裂缝宽度如图9(图中裂缝为沿各拱拱的轴线分布给出)：

图9 桥梁拱结构裂缝宽度

从图9可以看出，各拱结构均在拱脚负弯矩处上缘裂缝较大，其他位置上缘基本上没有出现裂缝；在主拱拱顶、腹拱支撑位置处，边拱拱顶(即边拱与桥面板固结点)、腹拱支撑位置处及腹拱拱顶下缘裂缝较大，尤其在边拱拱顶和腹拱拱顶最为不利。

图中裂缝的特点正好与上述内力特点相似，因此这些关键位置是拱结构的设计控制截面，设计时需严格保证这些位置的受力安全。

4 可优化改进之处及建议

(1)对于桥梁拱轴线的线形可做更深入的优化分析，特别是主拱和边拱拱轴线的拟合和匹配，将能够很好的改进和优化桥梁结构受力。

(2)从桥面板应力状态上看，应力状态可进一步优化完善；本设计桥梁桥面板高度可适当增加，在构造允许的情况下，预应力束可适当下移；或者可根据结构受力特点，预应力最好设置纵弯。

(3)桥面板与拱结构连接点的处理方式，可以采用不同的方式，各有优缺点。设计者可根据具体设计特点，或针对不同的地质条件选用合适的处理方法。

5 结 语

(1)整体式预应力葵花拱桥具有独特的受力特点。整体式桥面板，避免了设置多道伸缩缝，大大改善了行车的舒适度；整体式桥面板预应力可控制调节改善其本身的受力状态，并且同时也具有系杆的作用，能够平衡拱脚水平推力；桥梁结构为拱式刚架体系，结构受力复杂，但是具有很好的整体性能；同时一定程度增加了结构施工技术难度。

(2)对于该桥梁结构，主拱、边拱、腹拱与桥面板相互之间的固结点受力复杂；拱结构与桥面板连接点之间的桥面板跨中的受力比较不利，因此对于这类桥型，上述位置将是桥梁设计的控制截面。

(3)本桥结构优美，立体层次感强，整体性能好，可以得到一定程度的推广使用。

[1] 戴利民, 罗喜恒, 励晓峰, 等．桂林解放桥拱桥设计[J]．上海公路，2001，(2)：27-29．

[2] 郑江敏，韦建刚，陈宝春．钢筋混凝土葵花拱受力性能分析[J]．福建建筑，2007，(1)：12-13．

[3] 吴巨军，吴乐章，赵林强．江山市迎宾大桥设计[J]．世界桥梁，2006，(1)：17-19．

[4] 王新生、辛玉升．钢筋混凝土葵花拱桥有限元分析[J]．公路交通科技(应用技术版)，2009，(1)：129-132．

[5] 李 刚．异型拱桥的结构分析与研究[D]．西安：长安大学，2009．

[6] 傅仙花．采用箱形无推力拱桥的石宝大桥设计和施工[J]. 中国市政工程，2010，(5)：14-15．

[7] 刘黎明．变异的自平衡无推力系杆拱桥设计[J].水运工程，2009，(7)：201-204．

[8] 郭 静．拱式组合体系桥梁的结构[D]．郑州:郑州大学，2003．

[9] 颜东煌，刘雪锋，田仲初，等．组合体系拱桥的发展与应用综述[J]．世界桥梁，2007，(2)：65-67．

[10] 张 鲲．异型拱桥浅析[J]．工程与建设，2010，24(1)：11-12．