新型拱梁组合体系在桥梁设计中应用

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1、新型拱梁组合体系在桥梁设计中应用　　摘要：本文提取工程实例，对一座三跨上承式钢筋混凝土拱梁组合体系桥梁的设计进行了研究，着重阐述了主拱、桥面梁、基础等主要受力构件的设计构思，并运用有限元法对桥梁结构进行受力分析，分析结果表明该体系桥梁受力合理、且外形美观，在具体桥梁设计中应用有重大现实意义。关键词：拱梁组合体系；钢筋混凝土；拱肋；矢跨比中图分类号：TU37文献标识码：A0引言7梁桥及拱桥结构简洁、受力合理，在我国一直有着非常广泛的应用，但这两种桥型应用起来都有其各自的局限性。梁桥主要由主梁抗弯来承受上部竖向荷载，为此钢筋混凝土主梁不得不在受拉区

2、配置大量普通钢筋或预应力筋来满足主梁的抗弯需求，可见梁式结构并不能充分发挥建筑材料的抗拉压性能，结构经济性一般。现代桥梁设计越来越注重景观设计，梁式桥梁线条平淡、美观性一般，不太适用于对景观要求较高的桥梁。拱桥受力主要以拱板或拱肋受压为主，钢筋混凝土拱桥能够充分利用混凝土的抗压性能，仅需配置少量钢筋便可抵抗结构在活载作用下产生的不平衡弯矩，但其对地基基础的要求较高，在拱脚处常会产生较大的水平推力，有时不得不通过设置大直径群桩基础来平衡主拱水平推力。钢筋混凝土拱梁组合体系桥梁能够有效克服梁桥及拱桥的上述缺点，并能保持拱桥特有的结构曲线，外观优雅美

3、观，是现代景观桥梁设计中不可缺少的组成部分。在一定跨度范围内，该桥型的适用性、经济性及美观性达到了完美的统一。本文结合工程实例，对一座三跨上承式钢筋混凝土拱梁组合体系桥梁的设计进行了研究，着重阐述了主拱、桥面梁、基础等主要受力构件的设计构思，并运用有限元法对桥梁结构进行静力及动力分析，着重研究了主拱及桥面梁的受力性能，并可为实际工程设计提供指导。1工程概况本工程为一座跨河桥梁，河道宽约35m。由于河流位于城市中心地段，桥位处人流量较大，故对桥梁的景观性要求较高。经过经济性、景观性等比选后，最终选定采用三跨钢筋混凝土拱梁组合体系桥梁方案。桥梁整体

4、效果如下图所示。桥梁效果图2设计构思2.1主拱7主拱是上承式拱桥的主要承重构件之一，根据跨径及受力不同，可选择采用肋拱、板拱及箱型截面拱等多种截面形式。箱型截面拱具有抗弯及抗扭刚度大、自重轻等优点，大跨径拱桥较多采用此种截面形式。由于本桥跨径较小，肋拱或板拱便可满足拱圈受力要求；二者比较起来，板拱会略显厚重，肋拱则更能显得桥梁轻盈美观，且结构简单、施工方便，故本桥选择采用肋拱截面形式。桥梁横向共设置两道拱肋，高0.6m，同时在拱肋之间设置两道肋间横撑以增强拱肋的整体稳定性，肋间横撑截面尺寸为0.5x0.5m。2.2矢跨比矢跨比直接影响桥梁受力状

5、态，是拱桥设计的一个重要指标。拱桥矢跨比通常为1/3~1/6，合理设置的矢跨比应使拱肋受力主要以受压为主，在荷载作用下不承受或仅承受较小弯矩，即应该使拱轴线与拱压力线趋于一致；若矢跨比过大或过小均会使拱肋承受较大的弯矩，这样会大大增大拱肋内钢筋用量，使结构不经济、受力不合理。此外若矢跨比越小，传递到基础的水平力就越大，下部结构造价会大大增加。矢跨比的选择不仅仅需要考虑结构受力特点，还应综合考虑现状地形、水文条件及美观性等多方面因素。综合考虑上述因素，并经过多方案比选后，最终确定桥梁的矢跨比为1/4.3。2.3基础7拱桥基础需承受拱肋传递的竖向力

6、及较大的水平推力，在软土地基中常需设置大直径群桩基础来平衡主拱水平推力。本桥桥位处地质条件较差，下卧土层多为粘性土或砂土，若采用常规浅基础较难满足桥梁受力要求；若采用桩基础，虽然能够满足结构受力要求，但结构明显不够经济，桥梁造价会大大增加。设计时充分考虑到本桥布置特点，巧妙地把拱肋及桥台基础连在一起，这样可借助基底摩擦力及桥台土压力来共同承受上部结构传来的水平推力。经计算，该基础能较好地满足拱肋受力要求，并且较桩基础工程造价可节省约30~40%。通过综合构思、比选，最终确定桥梁方案如下：桥梁全长35.2m，跨径布置为5.6+24+5.6m；桥梁

7、全宽13m，横向布置为2.5m人行道+8m车行道+2.5m人行道。桥梁上部结构采用拱梁组合体系，横向共设置两道拱肋，肋高0.6m，两道拱肋之间设置肋间横撑以增强结构的整体稳定性，横撑尺寸为0.5x0.5m；桥面梁采用∏形截面形式，截面全宽13m，高0.6m；拱顶位置桥面梁与拱肋交汇成一体，截面高0.6m~1.7m。桥梁下部结构采用钢筋混凝土扩大基础，横向宽10m，高2.0m，基底设置0.5m碎石垫层。桥梁总体布置如下图所示：桥梁总体布置图3有限元模型建立7结构主要受力构件有桥面梁、拱肋、横撑等，分析时均采用空间梁单元进行模拟，并假定构件均处于小

8、变形、线弹性受力状态，桥面梁与拱肋相交位置按完全刚接模拟。为方便研究及结构分析，建模时未对基础进行模拟，仅在拱脚处设置固定约束，桥面梁梁端设置弹性支承