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上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性影响参数分析

2024-11-01 77 上传者：管理员

摘要：为研究上承式钢筋混凝土拱桥不同设计参数对其成桥稳定性的影响，文章选取矢跨比、拱轴系数、主拱混凝土强度等级、主拱截面构造参数(高、宽及板厚)等关键参数作为结构成桥稳定分析的影响参数，研究不同设计参数对上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的影响大小。结果表明：矢跨比、主拱混凝土强度等级、主拱截面高、宽及顶底板厚度为结构成桥稳定性影响主要参数，拱轴系数、腹板厚度为次要参数；实际拱桥设计中应以结构成桥稳定性为重点，综合经济、施工、景观等因素对设计参数进行合理取值。

关键词：
影响分析
成桥稳定性
桥梁工程
设计参数
钢筋混凝土拱桥
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大跨度上承式钢筋混凝土拱桥以其跨越能力大、受压性能好、工程造价低、后期养护少等优点，被广泛应用于我国西部山区桥梁建设中[1-3],尤其在广西、贵州等山区跨越峡谷的桥梁建设中应用最为广泛，一般采用挂篮悬浇斜拉扣挂施工[4]。

上承式钢筋混凝土拱桥以受压为主，结构易受压屈曲，导致全桥整体失稳[5-8]。因此，成桥稳定性是上承式钢筋混凝土拱桥设计中的核心环节。其性与混凝土强度等级、矢跨比、拱轴系数、主拱截面构造参数(高、宽及板厚)等关键参数取值息息相关，非常有必要对各关键参数进行成桥稳定性的影响分析，从而更好地指导上承式钢筋混凝土拱桥设计参数的合理取值。

本文选取矢跨比、拱轴系数、主拱混凝土强度等级、主拱截面构造参数(高、宽及板厚)等关键参数作为结构成桥稳定性的影响参数，研究各设计参数对上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的影响情况，为同类拱桥设计与施工提供参考。

1、工程概况与有限元模型的建立

1.1工程概况

本文依托工程为广西某高速公路上一座跨峡谷的钢筋混凝土拱桥，桥跨布置为2×30 m+150 m+2×30 m,其中主桥为跨度145 m的上承式钢筋混凝土拱桥，矢跨比1/4.5,拱轴系数1.70,桥型立面如图1所示。

图1桥型立面布置示意图(m)

桥梁总桥宽16.25 m,主拱采用C55混凝土，横向布置两个间距9 m单箱单室箱型主拱，单片主拱截面高2.80 m、宽2.50 m,腹板厚0.40 m,顶底板厚0.40 m,其横断面如图2所示。

图2主拱横断面图(cm)

1.2有限元模型的建立

采用Midas Civil 2022建立主桥的整体有限元模型，共计节点624个，单元768个，其结构整体有限元模型如图3所示。

图3整体有限元模型图

2、矢跨比对结构成桥稳定性的影响

矢跨比是影响上承式钢筋混凝土拱桥受力的核心设计参数。不同矢跨比下结构受压状态不同，其结构成桥稳定性大小也不同。

本文选取6组不同矢跨比(取1/6.5～1/4.0,为上承式钢筋混凝土拱桥正常矢跨比范围),分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受矢跨比的影响大小。

经有限元计算，不同矢跨比下结构成桥稳定系数计算结果见下页表1,分布曲线见下页图4。

表1不同矢跨比下结构成桥稳定系数计算结果表

图4不同矢跨比下结构成桥稳定系数分布曲线图

由表1和图4可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随矢跨比增大呈线性增大，可见矢跨比是影响结构成桥稳定的主要参数。

实际设计中可通过增大矢跨比来提高结构成桥稳定性，但过大的矢跨比导致主拱过陡不利于施工，且景观性相对较差。因此，从结构稳定、施工便利、景观等方面考虑，上承式钢筋混凝土拱桥可选择较大矢跨比，但不宜过大，1/5.5～1/4较为合适。

3、拱轴系数对结构成桥稳定性的影响

选取六组不同拱轴系数(取1.2～2.2,上承式钢筋混凝土拱桥正常拱轴系数范围),分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受拱轴系数的影响大小。

经有限元计算，不同拱轴系数下成桥稳定系数计算结果见表2,分布曲线见图5。

表2不同拱轴系数下结构成桥稳定系数计算结果表

由表2和图5可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随拱轴系数增大变化非常小，可见拱轴系数对上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性影响相对不大，为次要影响参数。

图5不同拱轴系数下结构成桥稳定系数分布图

4、主拱混凝土强度等级对结构成桥稳定性的影响

混凝土作为一种以抗压为主的结构材料，其压碎是拱桥失稳的主要原因。主拱圈作为拱桥最为核心的混凝土受压承载构件，其混凝土强度等级会影响结构的整体抗失稳能力。因此，本文选取6组不同强度等级(C25～C75)混凝土的主拱，分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受主拱混凝土强度等级的影响情况。

经有限元计算，不同主拱混凝土强度等级下结构成桥稳定系数计算结果如表3所示，分布曲线如图6所示。

表3不同主拱混凝土强度下结构成桥稳定系数计算结果表

图6不同主拱混凝土强度下结构成桥稳定系数分布曲线图

由表3和图6可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随主拱混凝土强度等级增加而增大，增大速率逐渐变缓。可见，主拱混凝土强度等级也是影响结构成桥稳定性的主要参数。

因此，实际设计中可通过提高主拱受压混凝土强度等级来提高结构的成桥稳定性。实际施工中也应严格把控主拱混凝土的配合比及水胶比，把控好混凝土质量，保证混凝土强度满足设计要求。

5、主拱截面构造参数对结构成桥稳定性的影响

不同于矢跨比、主拱混凝土强度及拱轴系数，主拱截面相关构造参数更直接影响主拱压应力的大小，即直接影响上承式钢筋混凝土拱桥的成桥稳定性。

5.1主拱截面高度

选取6组不同截面高度(1.8～4.3 m)的主拱，分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受主拱截面高度的影响情况。

经有限元计算，不同主拱截面高度下结构成桥稳定系数计算结果见表4,分布曲线见图7。

表4不同主拱截面高度下结构成桥稳定系数计算结果表

图7不同主拱截面高度下结构成桥稳定系数分布曲线图

由表4和图7可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随主拱截面高度增加呈先快速增大后逐渐趋于稳定趋势。

可见，主拱截面高度也是影响结构成桥稳定性的主要参数，一定范围内增加主拱截面高度可提高上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性。从结构安全与经济等角度出发，主拱截面高度在一定范围内宜取大值。

5.2主拱截面宽度对结构成桥稳定的影响分析

选取6组不同截面宽度(1.5～4.0 m)的主拱，分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受主拱截面宽度的影响情况。

经有限元计算，不同主拱宽截面宽度下结构成桥稳定系数计算结果见表5,分布曲线见图8。

由表5和图8可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随主拱截面宽度增加而增大，且前期增大速率较大，后期呈稳定速率增大。

表5不同主拱截面宽度下结构成桥稳定系数计算结果表

图8不同主拱截面宽度下结构成桥稳定系数分布曲线图

可见，主拱截面宽度也是影响结构成桥稳定性的主要参数，从结构安全与经济等角度出发，主拱截面宽度可相对取大值，但不宜取值过大。

5.3主拱顶底板厚度对结构成桥稳定性的影响

选取5组不同截面底板厚度(10～120 cm)主拱，分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受主拱底板厚度的影响情况。

经有限元计算，不同主拱顶底板厚度下结构成桥稳定系数计算结果见表6,分布曲线见图9。

表6不同主拱顶底板厚度下结构成桥稳定系数计算结果表

图9不同主拱顶底板厚度下结构成桥稳定系数分布曲线图

由表6、图9可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随顶底板厚度增加呈先增大后减小趋势，在厚度80 cm左右达到最大。可见，主拱顶底板厚度也是影响结构成桥稳定性的主要参数。

实际设计中可通过增加主拱顶底板厚度来提高结构成桥稳定性，但取值不宜过大，从结构安全与经济等角度出发，取40～60 cm较为合适。

5.4主拱腹板厚度对结构成桥稳定性的影响

选取6组不同主拱腹板厚度(1.5～4.0 m)的主拱，分析上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性受主拱腹板厚度的影响情况。

经有限元计算，不同主拱腹板厚度下结构成桥稳定系数计算结果见表7,分布曲线见图10。

表7不同主拱腹板厚度下结构成桥稳定系数计算结果表

图10不同主拱腹板厚度下结构成桥稳定系数分布曲线图

由表7、图10可知，上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定系数随主拱腹板厚度增加变化较小。

可见，主拱腹板主要还是以抗剪为主，腹板厚度对上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性影响相对有限，为影响结构成桥稳定性的次要参数。

6、结语

本文依托实际工程，分别分析了上承式钢筋混凝土拱桥矢跨比、拱轴系数、主拱混凝土强度等级、主拱截面构造参数(高、宽及板厚)等关键设计参数对结构成桥稳定性的影响，主要结论如下：

(1)矢跨比是影响上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的主要参数，从结构安全、施工及景观等方面考虑，取1/5～1/4为宜。

(2)拱轴系数为影响上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的次要参数。

(3)主拱混凝土强度等级为影响上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的主要参数，实际设计中可采用较高强度等级混凝土。

(4)主拱截面高度、宽度及顶板厚度为影响上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性的主要参数，腹板厚度为次要参数，从结构安全、施工方便及经济等角度出发，主拱截面构造参数尺寸可相对取大值，但不宜过大。

参考文献:

[1]周跃,卢士波,钱鑫.上承式钢筋混凝土拱桥空腹式拱桥设计及受力分析[J].福建交通科技,2018(6):46-48.

[2]章妮.公路108 m跨上承式钢筋混凝土拱桥箱形拱桥结构设计研究[J].交通世界,2020(36):27-28.

[3]梅盖伟,李强,张肄,等.156 m钢筋混凝土拱桥主拱圈施工阶段受力特性研究[J].四川建材,2022,48(2):193-196.

[4]田复之,赖光辉.大跨径钢筋混凝土箱型拱桥主拱圈钢拱架施工技术[J].黑龙江交通科技,2019(10):121-123.

[5]高丽,任廷飞.钢筋混凝土上承式拱桥稳定性分析[J].黑龙江交通科技,2019(12):123-124.

[6]张思远,喻博.大跨径钢管混凝土拱桥结构稳定与动力性能研究[J].中国安全生产科学技术,2022(4):185-190.

[7]张来强.大跨径钢筋混凝土箱型拱桥测试技术研究[J].黑龙江交通科技,2020(5):113-114.

[8]高华磊.大跨径钢筋混凝土箱形拱桥稳定性计算分析[J].交通世界,2019(18):110-111.

文章来源:温守果.上承式钢筋混凝土拱桥成桥稳定性影响参数分析[J].西部交通科技,2024,(11):129-132.

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期刊名称：西部交通科技

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