柔性系桿在上承式鋼筋混凝土拱橋設計中的應用

1、<p>　　柔性系桿在上承式鋼筋混凝土拱橋設計中的應用</p><p>　　摘 要：本文提取工程實例，對一座典型的上承式鋼筋混凝土拱橋進行了結(jié)構(gòu)靜力計算。計算結(jié)果表明：柔性系桿能夠有效平衡拱腳水平推力，明顯改善主拱、拱座及下部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；同時在減小全橋工程量以及降低工程造價等方面有非常重要的意義；從而使鋼筋混凝土拱橋能夠克服拱腳水平推力大、對地基基礎的要求高等缺點，并使此種橋型在工程設計中能夠得到更廣

2、泛地應用。 </p><p>　　關鍵詞：鋼筋混凝土拱橋；上承式；柔性系桿；拱腳水平力 </p><p>　　中圖分類號：U448.34 文獻標識碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　拱橋以其結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、跨越能力大以及外形美觀等優(yōu)點在我國有非常廣泛的應用，如歷史上著名的趙州橋、

3、盧溝橋等都是我國拱橋的典型代表。近年來，結(jié)合現(xiàn)代工程理論和新型建筑材料，拱橋已經(jīng)由傳統(tǒng)的石拱橋、圬工拱橋等演變發(fā)展出來了許多新型結(jié)構(gòu)型式，如鋼筋混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋及鋼拱橋等。 </p><p>　　由于鋼筋混凝土拱橋能夠充分利用混凝土的抗壓性能，并能利用配置的普通鋼筋來抵抗結(jié)構(gòu)在荷載作用的產(chǎn)生的彎矩，且其外形簡潔美觀，所以此種橋型在橋梁設計中占有很重要的地位。然而，由于此種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的水平推力，對地基

4、基礎的要求較高，故其在橋梁設計中，尤其是在土質(zhì)較軟的情況下，應用起來有很大的局限性。柔性系桿可以有效地平衡拱腳水平推力，改善主拱、拱座及下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，從而使鋼筋混凝土拱橋能夠得到更廣泛的應用。 </p><p>　　本文提取工程實例，運用有限元法，應用專業(yè)橋梁計算軟件，對一座新建上承式鋼筋混凝土拱橋進行靜力分析，著重研究柔性系桿對于改善橋梁上部及下部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的貢獻，探討將其應用于上承式拱橋設計中的重大意

5、義，并為實際工程設計提供指導。 </p><p><b>　　一、工程概況 </b></p><p>　　本工程位于河北省衡水市，橋梁跨滏陽河。主體為三跨上承式拱橋，跨徑布置為22.5m+45m+22.5m，矢跨比為1：7.5，橋面全寬42m。邊跨及中垮主拱圈均采用鋼筋混凝土板，板厚1m。邊拱圈及中拱圈之間設置副拱圈，副拱圈計算跨徑為12m，矢跨比為1：4；副拱圈亦采

6、用鋼筋混凝土板，板厚0.4m。主拱圈及副拱圈板頂均設置拱頂平臺，平臺之間設置鋼筋混凝土橋面板，板厚0.6m。中墩采用鋼筋混凝土拱座，拱座厚度為3.0m，基礎采用雙排Φ1.5m鉆孔灌注樁，順橋向樁距3.9m；邊墩采用樁柱式橋臺，樁徑為Φ1.2m。系桿采用15-27環(huán)氧全涂裝鋼絞線成品索。橋梁總體布置如圖1所示。 </p><p>　　圖1 橋梁總體布置圖 </p><p>　　圖2 結(jié)構(gòu)計算

7、模型 </p><p>　　二、橋梁主要技術(shù)標準及施工流程 </p><p><b>　　主要技術(shù)標準： </b></p><p>　　1.道路為城市主干道，計算行車速度為60km/h； </p><p>　　2.設計荷載：公路一級； </p><p>　　3.橋梁寬度；雙向10車道，車行道全寬3

8、5m，兩側(cè)各設置一條人行道，寬3.5m，橋梁全寬42m； </p><p>　　4.滏陽河寬約75m，常水位標高16.7m； </p><p>　?。ǘ蛄菏┕ち鞒蹋?</p><p>　　1.樁基礎、承臺及橋墩、橋臺施工； </p><p>　　2.澆注主拱板、副拱板；待主拱板及副拱板混凝土強度和彈性模量都達到100%后，張拉第一階段系桿

9、； </p><p>　　3.在拱圈上搭設支架現(xiàn)澆行車道板；待行車道板混凝土強度和彈性模量達到100%后，張拉第二階段系桿； </p><p>　　4.鋪設橋面系鋪裝、安裝欄桿及伸縮裝置等。 </p><p>　　三、有限元模型建立 </p><p>　　本橋主要受力構(gòu)件有橋面板、主拱板、副拱板、橋面系桿、拱座以及樁基礎等，為方便研究及結(jié)構(gòu)分

10、析，本文在建模時作了如下假定: </p><p>　?。ㄒ唬┘俣?gòu)件均處于小變形、線彈性受力狀態(tài)； </p><p>　　（二）中墩不再考慮樁與土的耦合作用，假定基礎抗壓、抗推及抗彎剛度為無窮大，即拱座底為完全剛性支承； </p><p>　?。ㄈ┻叾蘸雎灾ё盎A的抗推剛度，僅為豎向支承； </p><p>　?。ㄋ模┎捎每臻g桿系結(jié)構(gòu)進行

11、分析； </p><p>　　全橋共離散成169個節(jié)點， 166個單元，結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。 </p><p>　　四、計算結(jié)果及討論 </p><p>　　為了能更直觀地研究系桿對于平衡中墩水平推力以及改善拱板受力狀態(tài)的貢獻，本文分別對不設置系桿及設置通長水平系桿兩種模型的各項計算結(jié)果進行比較，如下所示： </p><p>　　表1結(jié)構(gòu)

12、計算結(jié)果（恒載） </p><p>　　圖3 主拱板恒載內(nèi)力圖--軸力（KN）（不設置系桿） </p><p>　　圖4 主拱板恒載內(nèi)力圖--彎矩（KN.m）（不設置系桿） </p><p>　　圖5 主拱板恒載內(nèi)力圖--軸力（KN）（設置系桿） </p><p>　　圖6 主拱板恒載內(nèi)力圖--彎矩（KN.m）（設置系桿） </p>

13、;<p>　　表2結(jié)構(gòu)計算結(jié)果（汽車荷載） </p><p>　　由以上計算結(jié)果可以得出如下結(jié)論： </p><p>　?。ㄒ唬┧较禇U能有效平衡恒載作用下中墩墩底產(chǎn)生的水平力，并能有效改善中墩基礎受力狀態(tài)； </p><p>　?。ǘ┧较禇U能有效改善邊拱板受力狀態(tài)，由原來的以受彎為主變?yōu)槭軌簽橹鳎瑥亩芨玫匕l(fā)揮混凝土的抗壓性能； </p&

14、gt;<p>　?。ㄈ┧较禇U亦能改善中拱板受力狀態(tài)，使其所受內(nèi)力沿全跨趨于均勻； </p><p>　?。ㄋ模┧较禇U并不能有效抵消汽車荷載作用效應。 </p><p>　　然而，預加力并不是加得越大越好，如果施加的預加力過大，反而會使基礎承受反向的作用力，同時使邊拱板承受過大的反向彎矩。該橋梁設計的關鍵點在于對結(jié)構(gòu)施加適當?shù)乃筋A加力，使下部結(jié)構(gòu)在使用階段在各種荷載共同

15、作用下，承受的水平力及彎矩最小。 </p><p>　　需要注意的是，本文在進行結(jié)構(gòu)建模分析時，假定結(jié)構(gòu)是一次成型的，并沒有進行施工階段分析。然而在實際工程中，橋梁是分階段施工的，荷載也是分階段作用于結(jié)構(gòu)上的；所以在實際的工程設計中，應嚴格結(jié)合橋梁施工工藝、施工步驟，分批、分階段對結(jié)構(gòu)施加預加力，以便成橋以后結(jié)構(gòu)受力達到最優(yōu)平衡狀態(tài)。同時，在施工過程中，應注意進行施工監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，再調(diào)整理論計算，以使橋梁施

16、工完成以后，能夠與理論計算結(jié)果相一致。 </p><p><b>　　五、結(jié)語 </b></p><p>　　在鋼筋混凝土拱橋設計中應用柔性系桿，能有效地克服拱橋水平推力大、對地基基礎的要求高等缺點，從而使此種橋型在地質(zhì)條件較差的地區(qū)亦可以選用；同時水平系桿能夠極大地減小邊墩拱板根部彎矩，有效地改善拱板受力狀態(tài)，故其在減小結(jié)構(gòu)工程量、降低工程造價等方面均具有重大的現(xiàn)實

17、意義。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]公路橋涵設計通用規(guī)范.JTGD60-2004.北京:人民交通出版社.2011. </p><p>　　[2]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范.JTGD62-2004.北京:人民交通出版社,2011. </p><p>　　[3]

18、范立礎,徐光輝.橋梁工程.北京:人民交通出版社,2001. </p><p>　　[4]公路橋涵設計手冊--拱橋.北京:人民交通出版社,2000. </p><p>　　[5]王福敏，徐偉，李軍.特大跨徑鋼桁架拱橋設計技術(shù).重慶:重慶大學出版社,2010. </p><p>　　[6]王玉銀，惠中華.鋼管混凝土拱橋施工全過程與關鍵技術(shù).機械工業(yè)出版社,2010. &