大跨石拱桥的设计与结构分析.pdf

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1、器桥梁工程BridgeEngineering大跨石拱桥的设计与结构分析雷晓刚，裴祥远(北京国道通公路设计研究院。北京100053)摘要：对于常见的中小跨径石拱桥一般是针对成桥状态进行结构分析，同时也常常不计拱上结构与主拱圈的联合作用。随着计算机技术、拱桥设计理论、设计方法及分析手段的不断完善，使得成桥及施T过程分析更能准确地反应结构实际受力情况，结构设计更加安全合理。因此以110国道德胜I=12号桥为例对石拱桥设计及结构分析作了详细论述。关键词：石拱桥；大跨径；设计；结构分析中图分类号：U448．22文献标志码：B文章编号：1009—

2、7767(2010)01-0070-03DesignandStructuralAnalysisofLongSpanStoneArchBridgeLeiXiaogang，PeiXiangyuanl工程概况石拱桥由于受地形条件、建筑材料、施工环境、结构理论与分析手段、施T与监控技术的限制，在现代桥梁结构中的应用与发展已受到制约，特别是大跨度、重载石拱桥的建设更是少见。但110国道德胜口2号桥由于受附近中科院地磁中心对用钢量的限制。最终采用石拱桥结构形式。该桥位于l10国道沟崖水库截流坝东侧。跨越现状德胜口沟。桥梁上部结构为Ix60in空腹

3、式等截面悬链线无铰石板拱。下部结构为重力式U型桥台．扩大基础；桥梁全长80．0m。全宽13。5111；荷载标准为公路一I级，重载验算；地震动峰值加速度为0．15g。2结构设计2．1主拱圈构造该桥采用空腹式等截面悬链线无铰拱结构形式。其主要技术指标如下：1)净跨径Lo=60nl，计算跨径L=61．078m；2)净失高．届=10in，计算矢高．厂-10．193m；3)矢跨比1／6；4)拱轴系数m=2．814；5)主拱罔截面采用矩形，等厚1．7m，宽13．5m。主拱圈坐落在两岸完整性较好的基岩上．地基承载力较高。由于北侧桥台离上游水库较近．

4、为避免开挖基础对水库基础有大的扰动，决定采用破碎炮机械开挖方法施工。基础设计成2级台阶．基础底面植入70．爷荭投客一ET2010No．1(Jan．)V01．28钢筋，且使基础混凝土与基础下缘周围基岩密合。以增加基础的抗滑能力。2．2拱上结构形式选择腹拱由8个等跨径腹拱组成，腹拱净跨径4．0ITI，净矢高1．0m，矢跨比1／4，厚0．4m．腹拱圈结构形式为等截面圆弧拱。腹拱墩采用横向挖空形式．腹拱墩等厚0．8m。一般的石拱桥在腹拱的端边孑L及中边孔分别采用三铰拱及两铰拱，以适应拱上结构变形的需要及桥面系和桥梁外荷载变形需求。该桥经计算。

5、需在腹拱圈多处设置平铰，以满足变形协调要求。根据实际情况分析，由于腹拱墩是石砌结构．其砌体结构关系复杂，抗弯刚度在一定弯曲变形后的截面受力与弹性材料有所区别，亦即抗弯刚度在变形后有变小的趋势。加之腹拱圈平铰设置过多。既增大了施工难度又对腹拱圈的整体性不利，因此，在两边孔设置三铰拱，跨中设置变形缝的构造形式，并采用多次卸架及拱上侧墙后砌等措施，以适应结构变形。为避免主拱圈、拱上建筑、与桥台变形不一致的影响．靠近桥台及拱顶的腹拱做成i铰拱，拱铰为平铰。桥台处的铰设置伸缩缝，其他铰做成变形缝。拱上的栏杆也应采取相应的措施，以免产生裂缝【11

6、。2．3拱上护拱及填料设计由于石拱桥拱上建筑及拱腹填料重量大，致使主拱圈裸拱合拢卸架后有较大的变形，这对主拱圈、腹拱及腹拱墩受力不利。大跨径石拱桥拱上填料过去多采用炉渣、矿渣等轻质材料或砂石、砂、砾石等透水性材料，但实践中常因填料难以压实。以及运营期间水的作用等因素引起的桥面病害，经综合考虑拱腹填料采用06级加气混凝土。桥梁工程器BridgeEngineering3结构分析3．1主拱结构受力分析全桥结构采用MidasCivil2006的空间梁单元，用有限元分析方法．考虑拱上结构联合作用进行建模分析(见图1)。图l考虑拱上结构联合作用计

7、算模型与单元划分图全桥共划分为291个梁单元。其中主拱圈、腹拱圈、腹拱墩及桥面系分别为72、74、24及121个单元。桥面系单元节点与主拱圈及腹拱圈单元节点对应一致，以弹性连接形成整体(弹性连接为只受压)，腹拱为三铰拱．采用释放相关单元梁端约束来实现。结构分析考虑温度变化整体升温25℃、整体降温30℃和拱座压缩变形lcm。主拱圈控制截面各T况应力见表l(不利组合为恒载+汽车+温降+变位)。表l主拱圈控制截面下缘各工况应力表MPa主拱圈为大料石砂浆砌体，砂浆强度等级M20，石材强度等级不低于MUl00号，砌体采用如下力学指标：1)砌体抗

8、压强度名=7．68MPa；2)直接抗剪强度厶=0．104MPa；3)砌体弹性模量Em=7300MPa；4)砌体密度7=27．5kN／m3；5)砌体线膨胀系数8xl旷℃。3．2成桥状态动力分析按照成桥状态的计算模型。考虑拱