空腹式钢筋混凝土连拱拱桥计算
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摘要：拱桥是一种具有古典美的桥式结构,其造型优美,曲线圆润，富有动态感，对于河道、湖泊上的桥梁，国内外多采用拱式结构。尤其是多孔拱桥，更适宜跨越较宽阔的水面，桥型如长虹卧波，气势非凡。
关键词：空腹式拱桥，承载力，挠度
中图分类号：TV331文献标识码： A
1 工程概况
1.1 总体布置
某城市桥梁，上跨一主河道，宽约30m，该桥梁位于当地新区行政中心，紧邻中心广场。因此桥型方案的选择，景观效果尤为重要。桥梁结构应与周围环境相互映衬，达到高度的和谐统一，才能融入新区城市发展理念和景观气氛。结合当地自然景观及地形、地质情况，决定采用上承式椭圆连拱造型拱桥，支架现浇施工。全桥总体跨径布置为3×40m，桥梁全宽39m。拟建桥梁的建造应以营造更加协调的新区城市景观为原则，达到“一河一景、一桥一景、两景相得益彰”的效果。
图1 桥梁方案
1.2 上部构造
本桥上部为空腹式连拱桥，整幅布置。现浇钢筋混凝土变高拱肋，整幅桥共15片，拱轴线为椭圆线形，净跨径为37m，净矢高为5.0m，矢跨比为1/7.4，跨中拱肋高1.2m，横桥向厚度为60cm。单跨纵向共设置7道钢筋混凝土拱上立墙，立墙下部横向与拱肋相连接，立墙厚度为60cm。立墙顶为预制简支“Π”形桥面板，通过板式橡胶支座搁置在立墙顶，按钢筋混凝土构件设计，整幅桥横向共布置14片，板长4.98m，净跨径4.7m，边板总宽3.15m，中板总宽2.4m，板肋高42cm，肋宽30cm，桥面板厚17cm，悬臂通过预留后浇带现浇成整体，简支桥面板之上为8cm厚整体化现浇层。
图2 拱肋与立墙侧立面图
图3 桥面系横断面图
1.3 下部构造
桥墩采用矩形板式墩，整幅桥横桥向墩宽39m，墩厚2.0m，拱肋根部与桥墩刚接。基础采用20根φ1.2m的双排桩，纵向桩间距为3.2m，横向桩间距为4.2m，按摩擦桩设计。承台高2.5m，横桥向宽42.4m，顺桥向宽5.4m。
图4 承台与基础结构图
桥台采用“一”字型桥台，与拱座连为一体，台身横向宽39m，纵向厚度为4.35m。基础采用φ1.5m的双排桩，每排10根，共20根，纵向桩间距为4.0m，横向桩间距为4.2m，按摩擦桩设计。承台高3m，横桥向宽41.0m，顺桥向宽6.5m。桥台后为重力式抗推体，用以平衡拱的水平推力。底层阻滑板纵向长12.25m，整幅横向全宽为41.0m，厚度为1.5m，底部设置50cm厚梯形抗滑齿，为钢筋混凝土结构；其上为C15片石混凝土压重体，抗推体后设8m长搭板与引道过渡。
图5 桥台与阻滑板结构图
2 计算过程
2.1 计算模型
对主拱圈的内力计算是基于有限元程序――MIDAS 进行的，在公路-Ⅰ荷载作用下，对主桥进行模拟计算。
全桥共离散为1882个节点、1810个单元。主拱肋合、立墙及桥面板按实际截面尺寸模拟，栏杆及桥面铺装换算为均布荷载施加在桥面上。模型平、纵均按实际线形模拟。
结构模型如下：
图6 计算模型
2.2 荷载
1、自重：混凝土容重取26KN/m3，以程序自动计入；
2、二期恒载：195.4KN/m；
3、活载：公路-I 级；
4、整体升温：25°；整体降温-20°；
5、拱脚不均匀沉降：-5mm。
3 计算结果
拱肋主筋采用直径32mm的螺纹钢筋，拱脚位置采用双根一束钢筋加强；箍筋采用直径16mm的螺纹钢筋，间距15cm。根据规范验算拱肋的正截面抗弯承载力、裂缝宽度及斜截面抗剪等。由于MIDAS计算时已考虑了结构重要性系数γ0，因此在验算时γ0取1。
本文选取拱脚截面、1/4拱跨截面、3/8 拱跨和拱顶处几个截面进行验算，结果如下：
3.1 抗弯承载力验算
表1 拱圈截面强度验算结果汇总
验算表明：主拱肋抗弯承载力能够满足规范要求。
3.2 抗裂验算
表2 拱圈抗裂验算结果汇总
验算表明：主拱肋抗裂性能满足规范要求。
3.3 斜截面抗剪验算
表3 拱圈斜截面抗剪验算结果汇总
验算表明：主拱肋斜截面抗剪性能满足规范要求。
3.4 主拱肋挠度计算
根据规范要求应验算荷载长期效应影响下短期荷载效应组合的挠度值：
图7 正常使用短期组合作用下一片主拱肋位移等值线图
C40混凝土挠度长期增长系数ηθ=1.45，结果显示，主拱肋挠度最大值为2.584cm×1.45=3.747cm< 3684/600＝6.14cm，满足规范要求。
4 结束语
通过以上计算分析结果可知，本桥在结构承载能力、抗裂等方面均能满足规范要求，拱轴线及结构尺寸基本合理，拱肋和拱上建筑方案理论上可行。由于本桥较宽，拱肋片数较多，且景观要求较高；实际施工前应对每一步施工步骤合理安排，仔细分析计算，以保证桥梁施工及运营安全，达到理想的景观效果。
参考文献：
[1]、JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范【S】。
[2]、JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范【S】。
[3]、桥梁设计与计算，邵旭东、程翔云、李立峰编著，人民交通出版社。