柔性系杆在上承式钢筋混凝土拱桥设计中的应用

摘 要：本文提取工程实例，对一座典型的上承式钢筋混凝土拱桥进行了结构静力计算。计算结果表明：柔性系杆能够有效平衡拱脚水平推力，明显改善主拱、拱座及下部结构受力状态；同时在减小全桥工程量以及降低工程造价等方面有非常重要的意义；从而使钢筋混凝土拱桥能够克服拱脚水平推力大、对地基基础的要求高等缺点，并使此种桥型在工程设计中能够得到更广泛地应用。

关键词：钢筋混凝土拱桥；上承式；柔性系杆；拱脚水平力

中图分类号：U448.34 文献标识码：A

引言

拱桥以其结构简单、受力明确、跨越能力大以及外形美观等优点在我国有非常广泛的应用，如历史上著名的赵州桥、卢沟桥等都是我国拱桥的典型代表。近年来，结合现代工程理论和新型建筑材料，拱桥已经由传统的石拱桥、圬工拱桥等演变发展出来了许多新型结构型式，如钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥及钢拱桥等。

由于钢筋混凝土拱桥能够充分利用混凝土的抗压性能，并能利用配置的普通钢筋来抵抗结构在荷载作用的产生的弯矩，且其外形简洁美观，所以此种桥型在桥梁设计中占有很重要的地位。然而，由于此种结构会产生较大的水平推力，对地基基础的要求较高，故其在桥梁设计中，尤其是在土质较软的情况下，应用起来有很大的局限性。柔性系杆可以有效地平衡拱脚水平推力，改善主拱、拱座及下部结构的受力状态，从而使钢筋混凝土拱桥能够得到更广泛的应用。

本文提取工程实例，运用有限元法，应用专业桥梁计算软件，对一座新建上承式钢筋混凝土拱桥进行静力分析，着重研究柔性系杆对于改善桥梁上部及下部结构受力状态的贡献，探讨将其应用于上承式拱桥设计中的重大意义，并为实际工程设计提供指导。

一、工程概况

本工程位于河北省衡水市，桥梁跨滏阳河。主体为三跨上承式拱桥，跨径布置为22.5m+45m+22.5m，矢跨比为1：7.5，桥面全宽42m。边跨及中垮主拱圈均采用钢筋混凝土板，板厚1m。边拱圈及中拱圈之间设置副拱圈，副拱圈计算跨径为12m，矢跨比为1：4；副拱圈亦采用钢筋混凝土板，板厚0.4m。主拱圈及副拱圈板顶均设置拱顶平台，平台之间设置钢筋混凝土桥面板，板厚0.6m。中墩采用钢筋混凝土拱座，拱座厚度为3.0m，基础采用双排Φ1.5m钻孔灌注桩，顺桥向桩距3.9m；边墩采用桩柱式桥台，桩径为Φ1.2m。系杆采用15-27环氧全涂装钢绞线成品索。桥梁总体布置如图1所示。

图1 桥梁总体布置图

图2 结构计算模型

二、桥梁主要技术标准及施工流程

主要技术标准：

1.道路为城市主干道，计算行车速度为60km/h；

2.设计荷载：公路一级；

3.桥梁宽度；双向10车道，车行道全宽35m，两侧各设置一条人行道，宽3.5m，桥梁全宽42m；

4.滏阳河宽约75m，常水位标高16.7m；

（二）桥梁施工流程：

1.桩基础、承台及桥墩、桥台施工；

2.浇注主拱板、副拱板；待主拱板及副拱板混凝土强度和弹性模量都达到100%后，张拉第一阶段系杆；

3.在拱圈上搭设支架现浇行车道板；待行车道板混凝土强度和弹性模量达到100%后，张拉第二阶段系杆；

4.铺设桥面系铺装、安装栏杆及伸缩装置等。

三、有限元模型建立

本桥主要受力构件有桥面板、主拱板、副拱板、桥面系杆、拱座以及桩基础等，为方便研究及结构分析，本文在建模时作了如下假定:

（一）假定构件均处于小变形、线弹性受力状态；

（二）中墩不再考虑桩与土的耦合作用，假定基础抗压、抗推及抗弯刚度为无穷大，即拱座底为完全刚性支承；

（三）边墩忽略支座及基础的抗推刚度，仅为竖向支承；

（四）采用空间杆系结构进行分析；

全桥共离散成169个节点， 166个单元，结构计算模型如图2所示。

四、计算结果及讨论

为了能更直观地研究系杆对于平衡中墩水平推力以及改善拱板受力状态的贡献，本文分别对不设置系杆及设置通长水平系杆两种模型的各项计算结果进行比较，如下所示：

表1结构计算结果（恒载）

图3 主拱板恒载内力图--轴力（KN）（不设置系杆）

图4 主拱板恒载内力图--弯矩（KN.m）（不设置系杆）

图5 主拱板恒载内力图--轴力（KN）（设置系杆）

图6 主拱板恒载内力图--弯矩（KN.m）（设置系杆）

表2结构计算结果（汽车荷载）

由以上计算结果可以得出如下结论：

（一）水平系杆能有效平衡恒载作用下中墩墩底产生的水平力，并能有效改善中墩基础受力状态；

（二）水平系杆能有效改善边拱板受力状态，由原来的以受弯为主变为受压为主，从而能更好地发挥混凝土的抗压性能；

（三）水平系杆亦能改善中拱板受力状态，使其所受内力沿全跨趋于均匀；

（四）水平系杆并不能有效抵消汽车荷载作用效应。

然而，预加力并不是加得越大越好，如果施加的预加力过大，反而会使基础承受反向的作用力，同时使边拱板承受过大的反向弯矩。该桥梁设计的关键点在于对结构施加适当的水平预加力，使下部结构在使用阶段在各种荷载共同作用下，承受的水平力及弯矩最小。

需要注意的是，本文在进行结构建模分析时，假定结构是一次成型的，并没有进行施工阶段分析。然而在实际工程中，桥梁是分阶段施工的，荷载也是分阶段作用于结构上的；所以在实际的工程设计中，应严格结合桥梁施工工艺、施工步骤，分批、分阶段对结构施加预加力，以便成桥以后结构受力达到最优平衡状态。同时，在施工过程中，应注意进行施工监测，根据监测结果，再调整理论计算，以使桥梁施工完成以后，能够与理论计算结果相一致。

五、结语

在钢筋混凝土拱桥设计中应用柔性系杆，能有效地克服拱桥水平推力大、对地基基础的要求高等缺点，从而使此种桥型在地质条件较差的地区亦可以选用；同时水平系杆能够极大地减小边墩拱板根部弯矩，有效地改善拱板受力状态，故其在减小结构工程量、降低工程造价等方面均具有重大的现实意义。

参考文献：

[1]公路桥涵设计通用规范.JTGD60-2004.北京:人民交通出版社.2011.

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