三跨连续拱桥成桥阶段参数敏感性分析

摘要：以某三跨连续钢筋砼拱桥为背景工程，利用有限元软件MIDAS CIVIL2015建立有限元模型，分析了拱圈容重、二期恒载、季节温差、混凝土弹模、环境湿度等参数的敏感性，得到了上述参数对拱圈应力的影响及其变化规律。结果表明：混凝土容重、季节温差、环境湿度为拱圈应力的主要敏感性参数，二期恒栽、混凝土弹性模量为拱圈应力的次要敏感性参数。此研究结果可为同类型拱桥提供设计参考。

关键词：连续拱桥;参数敏感性;计算分析;支架现浇

中图分类号：U442

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2019）24-0204-02

1 引言

拱桥由于造型优美，景观融合性强，是城市景观桥梁的首选桥型之一。本文以某三跨上承式钢筋砼拱桥为背景工程，运用MIDAS CIVIL2015软件建立梁单元模型，对该桥进行计算分析研究，分析结果可为类似桥梁提供设计参考。

2 梁单元模型

以某21. 53 m（边拱）+26 m（主拱）+21. 53 m（边拱）上承式钢筋混凝土拱桥为工程背景，总体布置如图1所示。拱圈采用矩形截面。主拱、边拱厚度为0.7 m，腹拱、桥面板厚度为0.4 m，拱圈采用圆弧拱，拱圈矢跨比采用1/5。桥面宽度为14.5 m，桥面组成为0.34 m（护栏）+13. 82 m（净宽）+0. 34 m（护栏）。主拱、边拱与桥面板衔接采用沉降缝处理，缝宽20 mm，缝内填塞油毛毡，桥面铺装采用60 mm钢筋混凝土现浇层+30mm水泥砂浆+60 mm广场砖。现浇层与水泥砂浆层之间设1 mm防水层。桥梁断面如图2所示。本桥上部结构采用支架现浇，施工顺序为浇筑主拱和边拱→浇筑腹拱→浇筑桥面板→成桥[2]。

3 有限元模型简介

采用数值分析软件Midas/Civi12015建立本桥的数值分析模型，全桥共划分为154个单元，167个节点。根据本桥受力特性，将主拱、边拱、腹拱、桥面板均采用梁单元模拟，施工临时支架采用竖向支撑模拟。边界条件为拱脚固结，桥面板和主拱及边拱的连接采用主从约束模拟，桥面板和腹拱的连接采用刚臂模拟。有限元模型如图2所示[3]。

4 参数敏感性分析

选用表1的参数进行计算分析，基准状态为设计状态，分别改变某一参数，同时保持其他参数不变，进行有限元分析计算。模拟分析时，主要计算结构成桥状态，以拱圈的应力为控制目标，并根据影响程度确定主要敏感性参数和次要敏感性参数。根据计算分析，主拱上缘的应力范围为（-1.9，1.8）MPa（压应力为一，拉应力为+），上缘最大拉应力位于拱脚，最大压应力位于主拱跨中;主拱下缘的应力范围为（-3.9，0.5）MPa（压应力为一，拉应力为+），下缘最大拉应力位于主拱跨中，最大压应力位于拱脚。

4.1 拱圈容重

以砼容重设计值26.O kN/m3为基准状态，将容重分别增加5%、减小5%计算拱圈应力成桥状态下的变化量。根据计算分析结果可知，混凝土容重增加5%，拱圈应力的最大变化量为0. 13 MPa;混凝土容重减小5%，拱圈应力呈相反变化的规律。整体变化规律为混凝土容重变化对拱圈应力的影响程度从拱顶至拱脚逐渐变大。

3.2 二期恒载

由于存在施工误差，桥面可能会出现凹凸不平问题。为保证桥面标高达到设计标高，后期铺装厚度可能会变厚或变薄。以二期恒载设计值78.6 kN/m3为基准，分别将二期恒载增加5%、减小5%计算成桥状态下拱圈应力的变化量。

根据计算分析结果可知，二期怛载增加5%，拱圈应力最大仅为变化量为0. 03 MPa;混凝土容重减小5%，上述控制目标呈相反变化。由应力变化量大小可知，拱桥的二期恒载对于成桥状态的内力影响程度较小。

4.3 季节温差

在桥梁的使用过程中，会受到季节性温度变化的影响，季节性温度变化主要引起结构的整体升温和降温。本文在计算模型中添加温度荷载模拟季节性温度变化，以体系温度20℃为基准，整体升降温按20℃考虑，计算成桥阶段相应工况下拱圈应力的改变量。

根據计算分析结果可知，升温20℃，拱圈应力最大为变化量为1.2 MPa;降温20℃，上述拱圈应力变化量呈相反变化。整体变化规律为季节温差变化对拱圈应力的影响程度从拱顶至拱脚先减小再增大。由拱圈应力变化量可知，季节温差变化对成桥状态的内力非常敏感。

4.4 环境湿度

引起混凝土收缩徐变的影响因素很多，计算模型当中很难准确模拟。本文选取环境湿度作为影响混凝土收缩徐变的唯一识别参数，以规范规定的70%相对环境湿度为基准，分别选取60%、80%的相对环境湿度计算成桥状态下拱圈应力的改变量。

由计算结果分析可知，取60%环境相对湿度，拱圈应力最大为变化量为0. 58MPa。取环境相对湿度80%，可得到与上述类似相反规律。因此，环境湿度变化对成桥状态拱圈的内力较为敏感。

4.5 混凝土弹模

以C40砼弹性模量设计值（3. 25×104 MPa）为基准，分别将弹性模量增大10%、减小10%，计算成桥时拱圈应力改变量。分析结果表明，砼弹性模量变化对于拱圈应力的影响很小。改变混凝土弹性模量，拱圈应力改变量均接近于O，故不再对上述结果详细阐述。从计算分析结果可知，混凝土的弹性模量变化对钢筋混凝土拱桥成桥状态内力的影响甚微，但是在拱桥的施工过程中，仍要确保混凝土的弹性模量与设计要求一致。

5 参数敏感性分析汇总

根据上述各参数的敏感性分析，将各参数对于拱圈应力的影响情况汇总，如表2所示。

6 结语

通过建立背景工程的有限元模型，进行计算分析可知：混凝土容重、季节温差、环境湿度为三跨连续拱桥成桥阶段拱圈应力的主要敏感性参数，二期恒载、混凝土弹性模量为三跨连续拱桥成桥阶段拱圈应力的次要敏感性参数。研究结果可为相同类型的拱桥提供设计参考案例。

参考文献：

[1]卫康华，罗浩，杨盂刚.塔墩梁固结的三塔四跨矮塔斜拉桥成桥状态力学参数研究[J].铁道科学与工程学报，2017，14（5）：988-996.

[2]蒋定衍，人行景观拱桥拱圈受力分析[J].城市道桥与防洪.2018（8）：149-150.194 ，18.

[3]曹杰桢.城市景观人行空间异形拱桥总体设计[J].城市道桥与防洪.2015（6）：77-80.11.

收稿日期：2019-11-12

作者简介：黄文龙（1991-），男，硕士，工程师，主要从事道路桥梁设计工作。