人行景观拱桥拱圈受力分析

蒋定衍

（上海市政设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司，广东 佛山 528200）

0 引言

随着城市的发展，城市绿地公园的建设越来越多，对景观的要求也越来越高。而拱桥因为其造型优美、曲线圆润、富有动态感、可很好地与周边景观融合等特点，成为大多数公园桥梁的首选桥型。

1 工程概况

某公园人行景观桥为单跨混凝土上承式拱桥，跨径为15 m，桥面总宽为5.0 m。拱圈线形采用矢跨比f/L=1/5.66的等截面圆弧（R=11.95m），厚度为60 cm。桥台采用重力式，承台厚1.5 m，基础为直径1.0 m的钻孔灌注桩，等间距布置。桥面铺装总厚30～245 cm，其组成为3 cm厚花岗岩贴面+3 cm M10混凝土砂浆+24～239 cm轻质混凝土，在铺装与拱圈中间另设2 mm防水层。人行道两旁设花岗岩栏杆。桥梁总体布置图及拱圈断面尺寸如图1、图2所示。

图1 桥梁总体布置图（单位：cm）

图2 拱圈断面构造图（单位：cm）

2 杆系计算模型

以MIDAS/Civil建立了结构的平面杆系模型，拱圈部分共等分为31个单元，单个桥台及承台共划分为7个单元，如图3所示。桩基础考虑以m法计算基础的地基刚度，考虑桩基的弯剪耦合效应，以6×6弹性地基刚度矩阵进行模拟；二期恒载以及人群荷载以静载方式中的单元荷载进行加载。

图3 结构杆系模型

拱圈上下缘正应力计算结果如图4、图5所示。

图4 拱圈上缘正应力图

图5 拱圈下缘正应力图

3 实体计算模型

根据桥梁的总体构造，以MIDAS/Civil建立了结构的三维实体模型，拱圈部位共划分为188个实体单元，单个桥台及承台共划分为334个实体单元，如图6所示。桩基础模拟同杆系模型；二期恒载以及人群荷载以静载方式中的节点荷载进行加载。

图6 结构实体模型

根据MIDAS/Civil分析软件计算结果，为便于更直观地观察拱圈内的应力分布情况，分别以拱圈纵轴截面、拱顶横截面以及拱脚横截面做分析，如图7～图9所示。

图7 拱圈X向正应力云图（顺桥向）

图8 拱顶Y向正应力云图（横桥向）

图9 拱脚Y向正应力云图（横桥向）

由图7可知，拱圈拉应力出现在拱顶下缘以及拱脚的上缘，但是拱脚拉应力最大处并不是出现在拱脚与桥台的交界处，而是出现在距离拱脚大约1.0 m处，主要是因为空间实体模型是考虑了桥台混凝土对拱脚的套箍作用。由图8及图9可知，拱顶位置的应力在横向并不均衡，而拱脚截面的应力横向分布则相对较均匀。

从计算结果可以看出，拱圈的最大拉应力为4.259 MPa，可通过配置纵向受拉钢筋以抵抗截面拉应力，将裂缝控制在规范允许范围内。

4 计算结果对比分析

以拱圈上下缘正应力分布作为研究对象，对杆系模型与实体模型的计算结果进行比较，如图10、图11所示。

从两图的分析可知，在拱顶位置，两种计算方法的应力趋势基本一致，但是无论是上缘还是下缘，实体模型的计算结果均大于杆系模型，而拱脚位置的应力趋势则有较大的差异，主要是因为实体模型充分考虑了结构的空间效应，更接近结构的实际受力情况，可提供更加可靠的设计理论依据。

5 结语

本文以某公园的人行景观拱桥为背景，借助空间有限元分析软件对结构分别建立平面杆系模型以及空间的实体模型，并对两种方法的计算结果进行分析对比，以对桥梁结构进行严谨的设计，力争避免出现同类型桥梁的弊病，保证桥梁在设计基准期内的安全。

图10 拱圈上缘正应力对比图

图11 拱圈下缘正应力对比图