浅谈采用midas civil进行上承式拱桥设计思路及适用方法

安 勇

(贵阳建筑勘察设计有限公司)

1 工程概况

洒金谷大桥位于贵州福泉市叠翠路K0 +758.46～K0 +910.54 处，横跨洒金谷，是该道路上的关键性工程，桥面至常水位约64 m，桥面高程不受洪水位影响。桥梁主孔为净跨1～90 m 的等截面现浇钢筋混凝土无铰箱形拱，矢跨比拱轴线为等截面悬链线，拱轴系数m =1.756，计算跨径L =91.129 m，计算矢高f=18.214 m，拱圈截面高度1.7 m，拱上为钢筋混凝土柱式排架，腹孔采用12×8 m 的预制钢筋混凝土空心板板，板高0.45 m。设计汽车荷载:城－A 级;人群荷载:3.5 kPa。单幅桥宽:净11 m(车行道)+2.5 m(非机动车道)+5 m(人行道)，桥面全宽19.0 m，主拱圈宽15.9 m。

2 拱轴系数m 的确定

确定拱轴系数m，先统计出拱圈所承受的恒载大小，根据主拱圈与拱上立柱的关系离散结构，并确定试算m 值的范围，建立有限元分析模型。设计时，该桥m 值的试算范围为1.543～2.240。

(1)只考虑恒载作用，拱圈各拱轴系数对应的各点偏心距e 值:

表1 不考虑收缩徐变下主拱圈特征点偏心距

(2)考虑恒载与混凝土收缩、徐变作用，拱圈各拱轴系数对应的各点偏心距e 值:

通常，在求拱圈最优拱轴线时，设计只考虑自重、拱上结构恒载(自重、二期)等，并未考虑混凝土的收缩、徐变作用。但对主拱圈而言，混凝土收缩、徐变所占比重并不小，且永久存在。所以确定拱轴系数m 值，应考虑主拱圈混凝土的收缩、徐变效应。

表2 考虑收缩徐变下主拱圈特征点偏心距

综合对比上述两组计算结果，可以看出当m=1.543 时，拱脚的偏心距较大，而当m=2.240 时，拱顶偏心距较大。而m 为1.756 与1.988 时，拱圈各点偏心距较为均匀，考虑到活载在拱顶为正弯矩控制，最终设计在确定拱轴系数m 时，在考虑了混凝土收缩、徐变的影响后，选定拱轴系数m=1.756。

3 计算活载增大系数(汽车荷载横向不均匀系数)

现行《公预规》4.3.3 条规定，拱上建筑为立柱排架式墩的板拱(包括双曲板拱、箱形截面板拱)，应考虑活载的横向不均匀分布。《公圬规》5.1.3 条，拱桥应考虑活载的横向不均匀分布。在进行桥梁结构检算时，设计人员通常给车道荷载考虑1.15(经验系数)的不均匀增大系数。但是随着城市桥梁宽度越做越大，传统的经验系数已不能真实反映出汽车荷载在桥梁上的不均匀分布。下面以本桥为例，利用《桥梁设计与计算》给出的方法求活载增大系数，并与经验值进行比较。

(1)主拱圈截面特性

Ix=4.962 m4，Iy=270.6 m4，It=16.88 m4，E =3.25 ×107kN/m2

按裸拱计算，把拱圈分成48 份，在跨中节点25 处作用一个单位力=1 kN，用桥梁博士软件计算得拱顶挠度=2.12 ×10－6m。

(3)曲线梁的等代

圆心角:

φ0=1.521rad

曲率半径:

(5)活载横向不均匀系数ξ

两车道对主拱偏心e =4.5 m，外侧腹板中心距b =15.05 m 有:

根据《通规》表4.3.1－4，考虑三车道的横向折减系数0.78 后，三车道汽车荷载系数为3.6。而若按照传统经验系数1.15 计算，三车道的汽车荷载系数为0.78 ×(3 ×1.15)=2.69。

4 结合规范进行结构验算

Midas civil 的后处理并不支持单箱多室箱形受压截面的验算，若需要用civil 进行后处理验算，则首先要将拱圈的实际截面按照图1 所示单箱单室形式进行等待处理。截面等代处理的原则为

(1)截面的腹板总厚度不变;

(2)截面的顶底板厚度不变;

(3)截面的其他各项参数不变(详表3)。

图1 等代后的截面(尺寸单位:cm)

将拱圈实际截面按照图1 等代处理后，程序能识别并进行后处理工作，但截面各参数与实际截面有一定的偏差，须用“截面特性值调整系数”功能予以修正，以保证计算结果的真实准确。

表3 截面特性及调整系数

将截面的各项特性调整系数以初始边界条件的方式，赋予整个结构计算模型，能准确地完成单箱多室箱形拱桥的主拱圈结构检算工作。本桥按照上述设计流程，已完成桥梁的设计、出图工作，施工图也已通过各级审查，目前该桥的施工正有序进行。

5 结 论

由于钢筋混凝土箱形拱桥采用箱形断面，截面配筋基本一致，故主拱圈拱轴系数的选定，宜采用拱圈各特征点在恒载作用下且考虑收缩、徐变效应作用的偏心距e 值是否均匀来确定。上承式拱桥，因通常情况下桥面板较主拱圈要宽，尤其是人行道较宽或车道数多的上承式拱桥，应考虑汽车荷载活载横向不均匀造成的“活载增大系数”，若直接按照经验值计算，则桥梁的设计活载可能偏小，桥梁结构可能不安全。另外，灵活利用Midas civil，可以对单箱多室的箱形受压截面进行后处理工作，大大节省设计计算时间，提高工作效率。

［1］公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范(JTG D62－2004)［S］.

［2］公路圬工桥涵设计规范(JTG D61－2005)［S］.

［3］公路桥涵设计通用规范(JTG D60－2004)［S］.