葵形拱桥受力特性及优化分析

廖宸锋

摘要：葵形拱桥是一种新兴的上承式拱桥，其结构受力有别于常规的上承式拱桥。文章以某大跨径葵形拱桥为例，对其受力特性进行分析，并依据其特点进行了相应的优化分析，可为同类桥型设计提供参考。

关键词：葵形拱桥;受力特性;优化分析

0 引言

葵形拱桥是近20年才出现的一种新颖的上承式拱桥结构，其结构特点为取消立柱或斜撑，结构主要由主拱、腹拱组成，形成大拱叠加小拱的优美外型。由于其造型轻巧、优美，美学价值高，近年来得到了一定的应用。葵形拱桥因拱上建筑传力点的减少以及集中，结构受力较一般上承式拱桥更复杂。

本文以某大跨径葵形拱桥为例，分析此类桥型的受力特性及优化思路，为以后同类桥型设计提供有益参考。

1 项目概况

本项目为城市主干路上的桥梁，设计时速为40 km/h，汽车荷载为城-A级。

大桥桥型为葵形钢筋混凝土箱形板拱桥，全长128.103 m，桥梁总宽26.5 m，拱桥净跨径L0=90 m，净矢高f0=13.50 m，净矢跨比f0/L0=1/6.666 7，主拱圈拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.988。拱圈高1.5 m，全宽25 m，横向共分为14片拱肋，拱肋合龙后通过现浇纵缝形成整体板拱。见图1。

主拱跨中34 m范围为实腹段，实腹段两侧接有拱上箱梁和腹拱。

拱上箱梁为1孔23.5 m简支箱梁，简支箱梁一端支撑在腹拱上，另一端通过实腹段平台支撑在主拱圈上。腹拱一端与主拱圈固结，另一端支撑在桥台处。

2 结构受力特性分析

2.1 计算模型

采用有限元软件MIDAS CIVIL建立空间杆系分析模型。全桥共计624个节点，680个单元，主拱拱脚采用固结的形式，腹拱与主拱连接处采用共节点方式，腹拱与拱上箱梁、主拱实腹段与拱上箱梁采用弹性连接的边界形式（见图2）。

2.2 结构受力分析

根据全桥整体静力计算，在基本组合作用下，结构内力计算结果如图3～5所示。

由弯矩图可知，拱结构弯矩关键截面为主腹拱节点处腹拱拱脚截面、主腹拱节点处主拱截面、腹拱拱顶截面，弯矩分别为120 705（kN·m）、110 213（kN·m）及108 129（kN·m），而主拱拱脚处截面弯矩为62 436（kN·m）。控制截面为主腹拱节点处腹拱拱脚截面，其弯矩约为主拱拱脚处截面弯矩的1.93倍，主拱拱脚截面与拱顶截面弯矩级数相当。

由剪力图可知，拱结构剪力控制截面为主腹拱节点处腹拱拱脚截面，其次，腹拱拱顶截面剪力也较大。

综上所述，本项目葵形拱桥的受力与常规的上承式拱桥有所区别，其控制截面不在主拱拱脚或拱顶，而是在主腹拱连接节点处，且腹拱是控制结构的重要构件。

3 腹拱设计优化分析

3.1 优化分析方案

如前所述，腹拱的受力关系着整个结构的安全，本文重点针对腹拱的设计优化进行分析，以确保结构安全。分析采用以下3种方案进行对比计算。

方案一：仅在腹拱跨中下缘布置42束15-12的钢束（见图6）。

方案二：在腹拱跨中下缘布置42束15-12的钢束，并在腹拱斜腿的上缘布置68束15-5的钢束（见下页图7）。

方案三：在腹拱上下緣布置通长的42束15-12的预应力钢束（见下页图8）。

3.2 优化分析计算结果

受篇幅所限，以下仅给出3种方案在最不利荷载组合下，最不利截面主腹拱节点处腹拱截面的主要计算结果（见表1）。

由计算结果可知：

（1）三种布置方案的计算结果均能满足规范要求。

（2）方案一虽然采用强配筋的方式也能满足0.2 mm的裂缝控制要求，但其没有设置上缘预应力钢束，上缘拉应力较大，裂缝宽度接近限值。

（3）方案二在腹拱根部上缘增设了预应力钢束，短期组合下的弯矩比方案一小，裂缝宽度也相对较小，拉应力也较小。

（4）由于预应力次内力效应，虽然方案二在基本组合下腹拱拱脚弯矩较方案一大，但其强度仍有足够富裕。

（5）采用方案二和方案三均可减小腹拱拱脚上缘的裂缝宽度，其受力优化的性能也基本相当，并可避免束筋的焊接难题。虽然方案三略优于方案二，但其钢束所用波纹管直径较大，需要增大主拱圈纵筋的间距，不利于构造。

综合考虑施工、耐久性等因素，不推荐采用方案一的形式。综合比较各因素后，本项目采用方案二作为实施方案。

4 结语

通过该桥的分析可得出以下结论：

（1）葵形拱桥结构受力有别于常规上承式拱桥，其受力不利截面在主腹拱节点处，腹拱是控制设计的关键截面。

（2）葵形拱桥在设计时，应重点关注裂缝的控制计算，尤其是主腹拱连接节点处的主拱截面以及腹拱拱顶、拱脚截面的验算。

（3）葵形拱桥腹拱应根据受力情况设置预应力钢束，以改善整体结构的受力及控制结构裂缝宽度。

（4）腹拱设计中进行多方案的优化分析比选是必要的，并应结合计算结果及其他因素确定最终方案。

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