钢筋混凝土拱桥结构受力特点及设计

钢筋混凝土拱桥结构受力特点及设计

彭光达

北京国道通公路设计研究院北京100053

摘要：钢筋混凝土拱桥形式古朴、优美，是景观桥梁常用的结构形式。拱桥结构能够充分利用混凝土的抗压能力,养护维修费用低。本文以北京新八里桥为例，通过有限元软件对该桥梁进行静力、抗震分析，最后得出结论。希望为今后同类型的桥梁设计提供一些借鉴作用。

关键词：钢筋混凝土拱桥有限元、结构分析设计实例

MechanicalCharacteristicsandDesignofReinforcedConcreteArchBridge

1前言

拱桥造型优美、庄重、大气，同时其结构形式多样，在城市景观桥设计中经常选用拱桥结构。拱式结构在荷载作用下，两端将产生水平推力，从而使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，截面应力分布均匀，可以充分利用主拱截面材料强度。

2钢筋混凝土拱桥结构特点

2.1钢筋混凝土拱桥优点

外形美观，跨越能力较大，截面应力均匀，能充分的利用混凝土抗压能力，耐久性好，维修、养护费用低，构造较简单[1]。

2.2钢筋混凝土拱桥缺点

自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构工程量，当采用无铰拱时，对地基条件要求较高，由于拱桥水平推力较大，在连续多孔的大、中桥梁中，为防止一孔破坏而影响全桥的安全，需要采用较复杂的措施，如单向推力墩。

3新八里桥工程

3.1工程概况

新建八里桥位于通燕高速旁通惠河上现状八里桥上游。新建桥梁全长81.0m，桥梁断面全宽26.6m，断面布置为：3.0米（人行道）+10米（行车道）+0.6米（双黄线）+10米（行车道）+3.0米（人行道）。

上部结构为一孔等截面悬链线钢筋混凝土箱型拱桥，主拱跨径为1-55m，矢高f=8.1米，矢跨比f/L=1/6.79，拱轴系数m=2.8398，主拱高1.35m，宽24.3m；腹拱拱轴跨径6.0米、矢高f=1.2米，矢跨比f/L=1/5的等截面圆弧板拱，腹拱高0.3m，宽24.3m；下部结构桥台为薄壁台身接承台,基础为钻孔灌注桩，台身厚1.2m，在距离承台4.5m位置渐变宽至2.932m,桥台宽26.3m；承台尺寸：长x宽x厚为26.3x13.2x3m；桩基直径2m，每个桥台布置15根桩，顺桥向布置3排，每排5根。

图1桥型布置立面图

3.2结构分析

3.2.1设计依据及参数

1)道路等级:城市次干路

2)活载:城市-A级，人群荷载：5kN/m2。

3)温度:混凝土体系升温30℃，体系降温-30℃。

4)基础变位:桥台桩基沉5mm。

5)抗震设防烈度8度区、丁类设防分类

6)荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015）除对施工阶段进行控制计算外，使用阶段按以下3种工况组合：

Ⅰ.恒载+沉降+汽车

Ⅱ.恒载+沉降+汽车+整体升温

Ⅲ.恒载+沉降+汽车+整体降温

3.2.2分析模型及荷载

采用MidasCivil2017对全桥结构进行计算分析。全桥构件均采用空间梁单元模拟，桩基础模拟采用“m”法等效为6自由度弹簧。桥梁空间模型见图2.

图2分析模型

3.2.3结构整体静力计算

根据钢筋混凝土拱桥受力特点，对八里桥新建桥梁进行整体静力计算，主要验算主拱圈、腹拱圈、立柱、桩基的受力情况。静力验算时考虑的荷载包括自重、拱上填料、二期荷载、汽车、人群、温度、基础变位、收缩徐变等。根据实际施工流程划分计算阶段，该桥主拱圈采用满堂支架施工。

步骤1

步骤2

步骤3

步骤4

图3施工图流程图

图4主拱圈轴力图

图5主拱圈弯矩图

通过计算得到在承载能力极限状态下,主拱圈轴力较均匀,拱顶、拱脚弯矩较大，因此拱顶、拱脚控制截面设计。结果静力计算部分结果见表

1、表2：

表1静力部分计算结果表

表2拱脚承载力验算结果表

图6结构一阶振型

3.2.4结果抗震计算

在进行结构的地震反应分析前，需要进行结构特征值分析，图6中给出了结构一阶振型，一阶振型对应的自振周期为0.44s,自振频率为2.29Hz。

本桥抗震设防分类为丁类[3]。根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）规定，抗震设防烈度8度区、丁类设防分类，应按照抗震设计方法B类进行设计。场地类型为Ⅲ类，所在地区的地震动峰值加速度为0.20g。设计地震分组为第二组。采用多阵型反应谱法进行计算抗震分析。计算结果见下表

图7桩基配筋

图8主拱截面配筋

在E1地震作用下，各相关桩基、主拱圈截面验算见下表。

表3桩基抗震验算

表4拱脚截面抗震验算

表5拱顶截面抗震验算

地震作用下，桩基、主拱圈的配筋满足抗震要求。

4结论

钢筋混凝土拱桥以其古朴、优美的造型在景观桥梁选型得到广泛采用。虽然拱脚水平推力较大，对地基要求较高，但通过合理设计基础能够得到良好的效果。本文通过有限元分析程序对这种桥型进行了静力计算、地震效应分析，希望能够为同类型桥梁设计提供一些思路[2]。

参考文献：

[1]邵旭东.桥梁工程[M]北京：人民交通出版社，2014,283-284

[2]孙广婧,雷晓刚.中承式系杆拱桥结构分析与设计[J].市政技术2009（7）

[3]城市桥梁抗震设计规范.CJJ166-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012