拱形连续梁的受力分析

 黄骏  师颖嫦

 （四川省交通运输厅交通勘察设计研究院成都610000）

摘要  运用有限元软件对某拱形连续梁进行分析，通过与同等跨径连续梁桥的受力状态对比，结果表明，拱形连续梁的主梁在恒活载作用下正负弯矩较连续梁桥大幅减小，结构刚度也更大。对拱形连续梁结构的矢跨比进行参数化分析，说明矢跨比对拱形连续梁的内力、变形影响较大。

关键词  拱形连续梁桥梁景观受力性能矢跨比参数化分析

 随着人们对结构美学的需求越来越高，对桥梁结构的景观要求也相应提高，我国的桥梁设计遵循“实用、经济、安全和美观”的基本原则，在实用、经济和安全的前提下，应尽可能地使桥梁具有优美的线形。拱形连续梁桥是一种具有拱形桥的古典美又具有梁式桥结构受力明确的结构型式，造型优美，曲线圆润，富有动感，相比梁式桥、刚架桥更能满足人们对景观美的要求，因此拱形连续梁桥在城市桥梁中特别是城市景观桥梁中的应用越来越广泛。

 拱形连续梁是一种借鉴拱桥的造型特点，加大变截面连续梁的梁根截面，再把梁底曲线夸张化，其实质还是连续梁结构的一个变种，受力特点也类似于带V形支撑连续梁，而把V形支撑线形圆滑化。本文通过与同等跨径的连续桥及不同矢跨比的拱形连续梁桥进行对比分析。

1结构模型

 某30 m+40 m+30 m=100 m拱形连续箱梁结构，桥面宽度为35 m，矢高为5m，矢跨比为1:8。主梁梁高1.6～3. 673 m，其中拱脚顶部主梁高1.4 m。主梁顶板宽17.5 m，底板宽10.5m，箱内顶、底板厚度均为0. 25 m；腹板厚度为0.5 m。

桥墩采用实体板式结构，基础采用承台钻孔灌注桩基础。桥台采用肋板式桥台钻孑L灌注桩基础。桥梁立面布置见图1。

本文计算采用midas Civil 2013对桥梁上部结构进行模拟分析，全桥共划分122个单元，125个节点，计算模型见图2。

施工阶段，该桥采用满堂支架施工方法，主要施工阶段及持续时间见表1。

2结构静力计算结果

2.1恒载作用

 为方便研究拱形连续梁结构的受力性能，本文采用与同等跨径的等截面连续箱梁进行受力性能的对比。

 等截面连续梁桥跨径采用30 m+40 m+30 m=100 m，梁高采用2.4 m，其余尺寸参数均与拱形连续梁尺寸一致。

通过软件分析计算在结构自重和相同的二期恒载作用下拱形连续梁和等截面连续梁的弯矩对比图见图3、图4及表2。

 由图3、图4及表2可见，拱形连续梁结构的主梁受力类似于多跨连续梁结构，拱形连续梁在支点处由于拱脚的存在，大幅度削减了支点处的负弯矩，此外跨中正弯矩也较同等跨径连续梁小得多。

 在自重的作用下拱形连续梁主梁的内力减小幅度比二期恒载大，这也说明拱形连续梁构件尺寸较小，结构较为轻盈。

通过图5对2种结构主梁变形的对比可见，在相同荷载作用的情况下，拱形连续梁结构的最大挠度出现在边跨，而等截面连续梁的最大挠度出现在最大跨径那一跨，等截面连续梁桥的最大挠度为1. 54 mm，而拱形连续梁桥的最大挠度为0. 97 mm，这说明拱形连续梁的整体结构刚度比同等跨径等截面连续梁的刚度更大。

根据计算结果，拱形连续梁桥在二期荷载作用下拱圈承受较大压力的同时拱脚顶部主梁也出现较大的拉应力，且与拱圈压力大小相当，这说明拱形连续梁结构的拱脚顶部主梁自身在平衡拱腿压力。恒载作用下拱形连续梁的轴力图见图6。

2.2温度变化

 通过计算结果的对比，说明整体升降温对拱形连续梁结构几乎没影响，而温度梯度对结构的影响较大；同时由上图还可以看出，温度变化对拱形连续梁主梁的影响较大，而对拱腿的影响不大。

升温作用下对连续梁的最大应力见图7。

 由图7看出升温梯度引起主梁产生1. 45MPa的拉应力和4.65 MPa的压应力。

 由此可以看出，拱形连续梁在温度变化作用下引起的截面应力大于等截面连续梁结构，说明拱形连续梁结构在温度荷载作用下引起的次内力较大。

2.3支座沉降

根据2种桥型的对比计算可以看出，支座沉降对拱形连续梁结构较等截面连续梁结构的影响更为明显，这说明拱形连续梁结构对基础沉降的影响较大，故设计拱形连续梁桥的下部结构时应尽量采用群桩或其他基础沉降小的基础结构。2种桥型的支座沉降对比图见图8。

3不同矢跨比对拱形连续梁结构的影响

 拱形连续梁结构同时具有梁桥和拱桥的受力特点，结构受力性能除了外部的边界条件、荷载工况等因素的影响，还有如矢跨比、拱梁刚度比、拱梁是否固结等内部因素的影响。

 矢跨比是拱形连续梁设计过程中一个极其重要的参数，也对结构的内力分布、变形会产生极大的影响。

 对于拱形连续梁结构，当拱圈的跨径和截面一定时，若矢跨比很小时，则拱弧长度较短，拱肋的材料用量较少，但在均布荷载的作用下拱圈产生的轴压力变大，对拱圈自身的受力状态是有好处的，但是拱脚对基础的推力会增大，主拱圈内的轴向压应力增大，充当加劲系梁的主梁所受的拉力也会增加，并且拱形连续梁对混凝土的收缩徐变、温度变化、基础沉降和拱圈自身的弹性压缩等因素所引起的附加内力的影响也将随之增加；反之，若矢跨比较大时，则在均布荷载作用下拱圈产生的轴力将会减小，但随着拱弧线的变长，拱肋在自重和材料用量上都会增加。

 另外，矢跨比对拱形连续梁的结构景观能否与周围环境相协调也有极大的影响，因此如何选取一个合适的矢跨比对拱形连续梁结构的内力分布和材料的用量都有极为重要的意义。

4结论

 (1)由于拱腿的存在，大幅削减拱形连续梁的主梁在恒活载作用下的正负弯矩，从而使得拱形连续梁的结构尺寸可以做得更小，相对来说跨越能力更强；在荷载作用下拱脚顶部主梁所受的拉力与拱圈所受压力几乎平衡，使得拱形连续梁桥的整体水平推力减小。

 (2)拱形连续梁在恒活载作用下的挠度为同等跨径连续梁桥的2/3左右，说明拱形连续梁桥的结构刚度大。

 (3)整体温度变化对拱形连续梁结构几乎不产生温度次内力，而温度梯度对结构的影响较大。温度梯度对拱形连续梁的主梁的影响比等截面连续梁大，而对拱腿的影响不大，说明拱形连续梁的超静定次数高，对温度较为敏感。

 (4)支座沉降对拱形连续梁结构较等截面连续梁结构影响更为明显，说明拱形连续梁结构对基础的要求更高。