葵花拱桥连拱效应分析

胡民逸 李道业 张文龙华南理工大学土木与交通学院

葵花拱桥连拱效应分析

胡民逸 李道业 张文龙
华南理工大学土木与交通学院

胡民逸，男，硕士，华南理工大学土木与交通学院，主要研究方向为大跨度桥梁。

为研究葵花拱桥受力与下部结构刚度之间的关系，以工程实例为背景，通过模拟桩土间的共同作用，建立考虑连拱效应的葵花拱桥有限元模型，并与按固定拱计算的模型进行对比。发现按连拱计算时能充分考虑上部结构的实际受力情况，同时使下部结构的造价更为经济。该模型的建立及分析结果可为同类桥梁的设计提供参考。

葵花拱桥作为一种造型新颖、结构复杂的新型桥梁，因其外观轻盈大方，形似一朵绽开的向日葵而得名。与传统的连拱拱桥相比，葵花拱桥通过设置腹拱圈代替空腹式拱桥的立柱，使主拱在其拱脚到腹拱拱脚之间没有力的直接作用。但同时，腹拱会对主拱产生巨大的水平推力，使主拱的受力形式由原来的近似均布荷载变为集中荷载作用，结构受力变得更加复杂。

由于葵花拱桥是我国桥梁建设者自主创造的新桥型，已建成数量较少，目前，对该桥型的研究主要集中在其主腹拱连接方式、不同拱轴线、矢跨比等对结构受力性能的影响，而对其连拱效应的研究较少。当考虑连拱作用时，墩和主腹拱的内力与上下部结构的刚度之比有着直接的关系。而前人研究也表明，只有当桥墩的抗推刚度是拱圈刚度的38倍以上时，多孔拱桥才不计连拱作用，可近似按固定拱计算。因此，本文以广州某葵花拱桥为工程背景，对其连拱效应进行研究。

工程概况

广州某葵花拱桥采用（40+4x58+40）m上承式混凝土葵花形拱桥，全长312m，全宽40.9m，分左右两幅，由两侧的岸跨拱梁及中间的四跨连拱组成。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。主腹拱、拱脚及主桥预应力构件皆采用C60混凝土。腹拱在拱脚处设置主拱采用刚性连接，纵梁与主腹拱之间通过支座连接，属于非整体式葵花拱桥。

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”相结合的形式。预应力系杆设置于上部桥面纵梁箱内，预应力系杆贯穿连续纵梁，两端锚固在岸跨梁中横隔梁上。下部结构中单幅桥边墩（61#和65#墩）基础采用6根D250cm钻孔灌注桩和3根D220cm钻孔灌注桩，承台厚度为300cm；单幅桥次边墩（62#和64#墩）基础采用6根D220cm钻孔灌注桩，承台厚度为250cm；单幅桥中墩（65#墩）基础采用6根D220cm钻孔灌注桩，承台厚度为250cm。承台和桩基分别采用C45和C30混凝土。

有限元模型的建立

桩土共同作用的模拟

考虑连拱作用进行计算时，墩和主腹拱的内力按照结构的实际刚度比进行分配，上部结构刚度主要指拱圈的刚度，下部结构则主要体现为承台顶刚度。对于连拱的计算，根据前人研究成果，主要有“按拱墩抗推刚度比简化计算法”、“∑法”、“换算刚度法”等方法，但工作量仍然较大。为简化计算，可通过有限元软件模拟，即根据本桥的地质情况和《公路桥涵地基与基础设计规范》中附录P提供的m法，将地基土等效成一个个土弹簧作为边界条件，同时将各桩以一米为单位等分成若干段，从而计算出地基土对桩的等效刚度。同时，建立如图所示的桩基承台的midas CIVIL模型，每段桩之间通过节点弹性支承进行连接，各桩顶通过弹性连接与承台底相连，并在各承台顶部施加六个方向的单位力或单位弯矩，最后可算得各承台顶部（即各墩墩底）节点的等效刚度。

由有限元模型模拟桩土共同作用模拟得到的各墩墩底等效刚度如表1所示。

全桥有限元建模

通过有限元软件midas CIVIL建立全桥有限元模型，全桥共划分成23250个单元，其中主拱、腹拱、纵梁和主墩采用梁单元，体外系杆由桁架单元进行模拟。体外系杆通过节点弹性连接与岸跨纵梁相连，支座垫石通过弹性连接中的只受压形式与主腹拱相连，而腹拱拱脚与主拱连接处则采用刚性连接。根据群桩基础的模拟结果，将出口刚度以节点弹性支承的形式输入到各墩节点，以此考虑葵花拱桥的连拱效应。同时，为进行比较，再建立一个承台底固结的全桥模型。具体单元及节点划分如图2所示。

表1 各墩墩底节点等效刚度值

表2 考虑连拱作用及按固定拱计算时的主拱控制截面弯矩对比表

图1 61#桩基承台离散模型

图2 全桥有限元模型

图3 1/2桥主腹拱弯矩示意图

恒载作用下连拱作用计算及分析

如图3所示为考虑连拱效应时的1/2桥的主腹拱弯矩示意图，各拱固结时的弯矩图与下图类似。由于恒载作用下纵梁内力较小，故此处不做研究。由图3可以看出，葵花拱桥在主腹拱连接处及主拱拱脚弯矩达到极值，由于主拱与腹拱采用刚性连接，在连接处弯矩会发生突变，在表2中通过连接处上侧和下侧加以区分。

由表2表3分析可知，当采用固定拱计算时，主拱及腹拱圈控制截面的弯矩与按连拱计算时大部分有所减小，最多减小3416kN·m，而最大降幅为25.5%。这说明简单将基础固定，不考虑连拱作用而计算的拱圈内力要比拱圈实际承担的内力小，据此设计的结构可能因安全储备较小而发生开裂。

而对于下部结构，由于桩基承台模型单独建立，无法直接查看内力情况，但可通过比较全桥模型中各主墩墩底的水平反力及该处的弯矩和轴力来判断下部结构的受力情况。

由表4和表5可以发现，按固定拱计算时，除了中跨63#墩外，其他各墩的水平反力和弯矩都要比考虑连拱效应时的大，而对轴力的影响较小。据此可判断当按固定拱计算得到的内力与实际承受的内力相比偏大，设计的桩基承台会有较大的富余量，增加工程造价。

表3 考虑连拱作用及按固定拱计算时的腹拱控制截面弯矩对比表

表4 承台底水平反力对比表

表5 承台底轴力和弯矩对比表

结语

综上所述，葵花拱桥按连拱作用计算时，不仅会使上部结构受力更加合理，提高设计质量，还能减少下部结构的材料用量，提高经济效益，因此，在设计过程中不能简单按固定拱计算而忽视连拱作用的影响。