羅 剛，黃樹強(qiáng)，劉志軍

（1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中鐵二院貴陽公司，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

風(fēng)雨橋是貴州、廣西、湖南、湖北等地獨(dú)具特色的侗族建筑，由橋、塔、亭組成，被稱為世界十大最不可思議橋梁之一，因行人過往能避風(fēng)雨而得名。常規(guī)的風(fēng)雨橋橋上風(fēng)雨樓為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，橋上荷載較小，且橋梁跨度一般在10～30 m[1]。銅仁市興市橋改擴(kuò)建工程在既有橋兩側(cè)新建跨度為76 m的鋼筋混凝土拱橋，橋上設(shè)三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)風(fēng)雨樓，風(fēng)雨樓總重高達(dá)3 403 t。與一般拱上建筑為單層木質(zhì)結(jié)構(gòu)的風(fēng)雨橋不同，該橋主拱結(jié)構(gòu)具有跨度大、承受荷載大、剛度要求高、與拱上建筑聯(lián)合受力等特點(diǎn)。本文結(jié)合興市橋改擴(kuò)建工程，對大跨度風(fēng)雨拱橋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供參考。

1 工程概況

銅仁市興市橋改擴(kuò)建工程擬建新橋位于原橋兩側(cè)，分為左右幅，上跨錦江河，橋梁與河道正交。新建橋?yàn)槿诵袠?，功能增加景觀樓，橋上設(shè)三層鋼筋混凝土框架風(fēng)雨樓，第一、二層供人行，第三層為裝飾屋頂。橋式采用1×76 m鋼筋混凝土箱形拱，單幅橋面寬7.18 m，全長96.09 m。拱上結(jié)構(gòu)為空腹式腹拱，下部構(gòu)造采用拱座式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，主拱圈橫斷面為單箱雙室結(jié)構(gòu)，拱圈為等截面懸鏈線。拱軸系數(shù)m=3.5，矢跨比f=1/7.5，拱箱全寬6.55 m、箱高2.0 m；主拱圈橫隔板采用30 cm、20 cm厚兩種，在橫墻及建筑立柱下為30 cm，其余為20 cm。主拱上腹拱分為端腹拱和一般腹拱，端腹拱按三鉸拱設(shè)計(jì)，其他腹拱按兩鉸拱設(shè)計(jì)[2-3]，如圖1所示。

圖1 興市橋?qū)嵕罢掌?/p>

2 拱上建筑與主拱的相互作用影響分析

既有橋兩側(cè)新建銅仁市興市橋橋上三層鋼筋混凝土框架風(fēng)雨樓高11.2 m（不含塔樓），框架柱橫向間距為6 m，框架柱身尺寸為0.4 m×0.45 m，鋼筋混凝土框架柱錨固于橋上與橋梁形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在外力作用下將聯(lián)合受力、相互影響，為確保拱上建筑及主拱圈的結(jié)構(gòu)安全需要對其相互作用影響進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2所示。

2.1 主拱變形對拱上混凝土框架風(fēng)雨樓的影響

銅仁市興市橋拱上三層鋼筋混凝土框架風(fēng)雨樓為超靜定結(jié)構(gòu)，對位移相當(dāng)敏感，因此需要對主拱結(jié)構(gòu)在各種工況下的變形進(jìn)行分析，以確定主拱變形對拱上結(jié)構(gòu)的影響，并對主拱的剛度提出一定的要求[4]。表1為主拱在各種工況下的變形計(jì)算結(jié)果。

圖2 橫斷面構(gòu)造（單位：mm）

表1 主拱圈在各工況下的變形 mm

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析可知，主拱結(jié)構(gòu)在收縮徐變、升降溫作用下，1/8L、1/4L、1/2L處結(jié)構(gòu)的縱橋向變形值差別較小，而豎向變形值差異較大。為減小豎向位移對混凝土框架風(fēng)雨樓的影響，根據(jù)分析結(jié)果，橋上混凝土框架風(fēng)雨樓縱向共設(shè)置了4道結(jié)構(gòu)縫以適應(yīng)主拱圈變形，同時(shí)橋上的端腹拱按三鉸拱設(shè)計(jì)，其他腹拱均按兩鉸拱設(shè)計(jì)，以改善收縮徐變、升降溫作用下腹拱的受力狀態(tài)。

2.2 拱上建筑對主拱受力的影響

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）中第 4.3.1條規(guī)定，無鉸拱和雙鉸拱的計(jì)算可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，拱的計(jì)算如考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，拱上建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合計(jì)算所預(yù)設(shè)的條件[6-7]。該橋拱上為三層混凝土框架風(fēng)雨樓，樓高11.2 m，第一、二層供人行，第三層為裝飾屋頂。為分析拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用效應(yīng)，建立了兩個(gè)模型做對比分析，分別是模型一——裸拱和模型二——裸拱+腹拱+兩層框架，如圖3所示。

建立模型時(shí)為簡化處理，模型二中第三層裝飾屋面按荷載施加，兩個(gè)模型在最不利荷載組合工況下的主拱圈上下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 計(jì)算模型

表2 主拱圈應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

由表2可知，考慮拱上建筑與主拱圈聯(lián)合受力后主拱圈上緣應(yīng)力有了改善，拱頂上緣應(yīng)力從15.7 MPa降到15.2 MPa，而拱腳上緣應(yīng)力也有所改善，從0.7 MPa增加到0.9 MPa。值得注意的是，考慮了拱上建筑后主拱圈拱頂下緣應(yīng)力更不利，從0.7 MPa降到0.2 MPa，主要是由于模型二考慮拱上建筑后結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在溫度作用下變形產(chǎn)生的效應(yīng)，使主拱圈下緣更不利。因此對于拱上建筑影響較大時(shí)，除了建立裸拱模型計(jì)算分析外，建議建立整體模型對主拱圈的強(qiáng)度進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。

3 拱軸系數(shù)取值分析

拱軸系數(shù)m反映拱軸線曲率的大小，當(dāng)矢跨比確定以后，各點(diǎn)的豎向坐標(biāo)就取決于拱軸系數(shù)m。拱圈軸線的形狀直接影響了內(nèi)力的分布和大小，一般采用“五點(diǎn)重合法”確定懸鏈線的拱軸系數(shù)。該橋?qū)拜S系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選分析[7]，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 拱軸系數(shù)對拱圈受力的影響 kN

由上表可知，隨著拱軸系數(shù)的增大，拱頂彎矩增大，而拱腳彎矩減小。該橋通過對拱軸系數(shù)3.2～3.7時(shí)的主拱圈內(nèi)力計(jì)算分析可知，當(dāng)拱軸系數(shù)為3.5時(shí)拱圈的拱腳及拱頂受力較為合理，因此該橋的拱軸系數(shù)確定為3.5。

4 考慮P-del t a效應(yīng)主拱結(jié)構(gòu)分析

P-delta效應(yīng)是指構(gòu)筑物同時(shí)受到橫向力和軸力作用時(shí)，橫向力作用下產(chǎn)生的位移和軸力組合產(chǎn)生附加彎矩的效果。該橋主拱圈同時(shí)受到軸力作用和向下的豎向力，有必要考慮P-delta效應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)的合理性。表4是一般模型和考慮P-delta效應(yīng)模型計(jì)算結(jié)果對比。

表4 P-delta效應(yīng)計(jì)算結(jié)果對比 kN

由上表可知，考慮了P-delta效應(yīng)后拱頂彎矩有所增加，拱腳、1/4L彎矩有所減小。

5 主拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定非線性分析

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題一般分為兩大類：第一類穩(wěn)定，是具有平衡分支的穩(wěn)定問題，也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)；第二類穩(wěn)定，是無平衡分支的穩(wěn)定問題，也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)。由于第一類穩(wěn)定是特征值問題，求解方便，在多數(shù)情況下兩類問題的臨界值相差不大，一般設(shè)計(jì)采用第一類穩(wěn)定進(jìn)行控制；但大跨橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何非線性及材料非線性問題，還要進(jìn)行第二類穩(wěn)定分析，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的非線性問題。針對該橋大跨的特點(diǎn)，進(jìn)行了第一類穩(wěn)定和第二類穩(wěn)定的分析[8-10]，見表5。

表5 穩(wěn)定性分析結(jié)果

對于第一類穩(wěn)定分析，規(guī)范要求穩(wěn)定系數(shù)大于4～5，考慮幾何非線性和材料非線性后穩(wěn)定系數(shù)要求大于2。從以上計(jì)算結(jié)果可知，該橋第一類穩(wěn)定系數(shù)為22.7，考慮非線性后穩(wěn)定系數(shù)為4.3，穩(wěn)定性均滿足要求。

6 結(jié) 語

（1）對于無鉸拱和雙鉸拱的計(jì)算一般可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，但當(dāng)拱上建筑為較復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，需要分析主拱圈變形對拱上結(jié)構(gòu)的影響，并采取相應(yīng)措施，對主拱圈的受力也要考慮拱上結(jié)構(gòu)的影響，與裸拱模型取最不利組合包絡(luò)控制設(shè)計(jì)。

（2）拱圈軸線的形狀直接影響了內(nèi)力的分布和大小，當(dāng)主拱的矢跨比確定后，應(yīng)對拱軸系數(shù)m進(jìn)行優(yōu)選分析。

（3）當(dāng)結(jié)構(gòu)物同時(shí)受到橫向力和軸力作用時(shí)，橫向力作用下產(chǎn)生的位移和軸力組合產(chǎn)生附加彎矩的效果，應(yīng)補(bǔ)充分析P-delta效應(yīng)，以確保結(jié)構(gòu)的合理性。

（4）大跨橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何非線性及材料非線性問題，除了進(jìn)行常規(guī)的第一類穩(wěn)定分析外，還要進(jìn)行第二類穩(wěn)定分析，重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的非線性問題。