拱桥的设计原则及计算分析

来源:用户上传      作者: 阮强科

　　【摘 要】拱桥是我国城市桥梁上使用很广的一种桥型。拱桥和梁桥的区别不仅在于外形，更重要的在于受力性能方面的不同。在自重和竖向活荷载作用下，梁在支撑处将仅受到竖向反力作用，而拱桥在竖向荷载作用下，支撑处将同时承受水平和竖向反力。拱承受的弯矩将比同跨径的梁桥小很多，拱圈主要承受轴向压力。这样拱桥不仅可以充分利用钢材的抗拉性能，也可以充分发挥混凝土抗压性能好的特性。
　　【关键词】拱桥；拱肋；
　　1、引言
　　桥梁是市政工程建设中的重要构成部分，是城市路网建设的关键控制点，在当前城市交通迅速发展以及对城市桥梁景观要求越来越高的情况下，普通的梁桥已经不能满足城市桥梁发展的需要了。拱桥作为景观和受力都比较好的一种桥型，在城市桥梁中得到了广泛的运用。
　　2、拱桥的设计原则
　　2.1拱桥的组成和类型
　　（1）拱桥的组成
　　拱桥和其他桥梁一致，也是由上部结构和下部结构两大部分组成。拱桥的主要承重构件是拱圈，拱圈在横桥向有整体式和分离式两种。根据桥面系在拱桥上部结构立面上的位置，拱桥可以分为：上承式、中承式、下承式。上承式拱桥的桥面在拱圈之上，桥面板和拱圈之间通过传力构件或填充物过度形成平顺的桥面；中承式的桥面板在拱圈立面的中部，通过横梁处的吊杆和立柱将荷载传递到拱肋；下承式拱桥的拱圈由分离拱肋组成，拱肋立面的底部均由吊杆悬吊在拱肋上。
　　（2）拱桥的类型
　　拱桥的发展历史长，使用广泛，形式多样、构造各有差异，可以按照不同的方式将拱桥分类。
　　按照拱圈与桥面结构联接构造的方式，可以把拱桥分为简单体系拱桥和组合体系拱桥两大类。简单体系拱桥按照不同的静力图式又可以分为：三饺拱、无饺拱和两饺拱；组合体系拱桥根据不同的组合方式及受力特点又可分为无推力的和有推力的外部静定和超静定的。
　　拱圈的横截面形式最常用的有以下几种：板拱、肋板拱、双曲拱、箱型拱等形式。
　　2.2 拱桥的计算过程分析
　　（1） 设计高程的确定
　　拱桥设计高程的控制因素主要有以下四方面：桥面高程、跨中底面高程、起拱线高程、基础底面高程。桥面高程需要同时满足拱桥两岸的顺接和桥下的泄洪或通行要求。
　　（2） 失跨比的确定
　　拱桥的矢跨比是拱桥设计的主要参数之一，它的大小直接影响了拱桥的构造形式、拱圈内力大小和施工方法的选择。拱脚的水平推力与矢跨比呈反比关系。矢跨比的选择应该综合考虑弹性压缩、温度变化、混凝土收缩徐变等因素，另外矢跨比与拱桥的外形是否美观，与周围的建筑是否协调也有很大的关系。因此矢跨比不能随意选定。对于简单体系的石、混凝土拱桥矢跨比一般为1/4～1/8。组合式拱桥矢跨比一般为1/5～1/10，或者更小一些，但一般不小于1/12。
　　（3） 拱桥体系的确定
　　拱桥体系从大的方面可以分为简单体系和组合体系两大类，这两个体系的拱桥不仅在受力和构造方面有差别，在造价和施工方法等方面也有很大的差异。经济合理是拱桥体系选择的一个基本原则，并因地制宜选用当地建材，高等级道路桥梁也应依桥位处的环境，选择合适的体系。在特定的桥位环境下，拱桥体系的选择还应考虑维护的简便性和经济性。
　　（4） 拱桥结构类型确定
　　简单体系拱桥：在地基差的地区，一般可选择采用二铰拱结构，因其能适应不良地基引起的墩台不均匀沉降。对于平原地区的城市桥梁，桥面标高是需要严格控制的，采用中承式或下承式可降低建筑高度，并提供比较大的桥下空间。
　　（5） 拱轴线的确定
　　选择合适的拱轴线是确保拱桥经济性和合理性的重要因素，拱轴线的选择原则是尽量降低荷载产生的弯矩，最理想的拱轴线是拱上荷载作用下的压力线与拱轴线重合。一般说来，拱轴线的选择应满足以下几方面：尽量减小主拱截面的弯矩，尽量减小截面的拉应力，线性美观、施工方便。
　　目前我国拱桥常采用的拱轴线形式有：圆弧线、悬链线、抛物线。圆弧线常用于15～20米以下的小跨径拱桥。实腹式拱桥一般采用悬链线作为拱轴线，在恒载作用下，拱圈将只承受压力而无弯矩。中承式、下承式及组合体系拱桥一般采用二次抛物线作为拱轴线。
　　（6）拱桥计算
　　1、一般跨径拱桥，满足弹性理论基本假定，可采用有限元方法计算。
　　2、对于大跨径拱桥，应计入几何非线性的影响。
　　3、拱桥计算应考虑施工过程对结构内力状态的影响。
　　4、应考虑基础变位、温度变化、水浮力、横向风荷载等对结构的影响。
　　5、将空间吊杆简化为平面结构计算时，应考虑吊杆力变化的影响。
　　6、除对结构进行总体荷载效应分析外，还应对拱桥的一些特殊部位进行局部分析。
　　（7）施工阶段计算
　　1、拱桥施工工艺复杂多变，在施工过程中应该对重要节点及各种体系转化进行安全性验算，各个施工阶段的计算模型应与施工过程的划分保持一致。
　　2、施工阶段计算内容包括：拱桥内力，拱桥截面的应力、位移，结构的稳定性，必要时还应考虑非线性影响。
　　3、拱桥预拱度设计应考虑施工过程对结构变形的影响，并考虑拱脚变位对拱轴线的影响及1/2汽车荷载的竖向挠度。
　　（8）拱桥抗震计算
　　1、拱桥应按照E1和E2两级抗震设防。
　　2、大跨径拱桥的地震反应分析应该采用时程分析和反应谱法。
　　3、大跨度拱桥应采用对称的结构形式，上下部结构之间的连接构造应均匀对称。
　　4、地震反应分析时，采用的计算模型应真实模拟桥梁结构的刚度、质量分布及边界条件。
　　（9）拱桥的主要构件强度验算
　　1、应该对拱肋、主梁、桥面板体系进行施工过程及成桥状态下正常使用阶段的强度验算。
　　2、混凝土桥面板和拱座等构件的截面强度需要符合相关规范要求。
　　3、吊杆、水平拉索运营状态的安全系数不应小于2.2，施工阶段最不利状态的安全系数不小于2.0。
　　4、对主梁、吊杆、拱肋还应该进行疲劳应力计算。
　　5、拱桥基础计算除了结构自重、活载，还应计入墩、拱座施工偏心，施工全过程最不利不平衡水平力和恒向荷载对基础的影响，同时也应考虑上部结构对基础产生的二次效应。
　　6、大跨度拱桥除进行弹性屈曲的结构稳定分析外，建议计入几何非线性和材料非线性影响的弹塑性极限强度分析。屈曲应力验算也应该符合现行的拱桥规范。
　　【参考文献】
　　[1] 姚玲森. 桥梁工程
　　[2] 公路桥涵通用设计规范（JTG D60-2004）
　　[3] 城市桥梁设计规范 （CJJ 11-2011）
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