1、基础刚度对钢筋混凝土拱桥受力性能的影响摘要：本文以一座典型的三跨钢筋混凝土拱桥为例，对其进行受力分析。计算结果表明：基础刚度直接影响桥梁受力状态，同时基础刚度对全桥整体刚度的贡献率亦很大。故在对此类桥梁进行受力分析时应采用合适的方法，对基础刚度进行准确模拟，以使计算结果与结构实际受力状态相吻合。 关键词：钢筋混凝土拱桥；基础刚度；桩-土耦合作用；结构内力 中图分类号： U448.34 文献标识码： A 0 引言 钢筋混凝土拱桥结构简洁、跨越能力大，在我国公路及铁路上应用非常广泛；同时由于其造型优美、曲线圆润，所以它一直深受建筑师的青睐，一直是景观桥梁中不可或缺的组成部分。 从结构受力角度来讲，
2、钢筋混凝土拱桥主要以拱板受压为主，所以它能够充分利用混凝土的抗压性能，仅需配置少量普通钢筋便可抵抗结构在荷载作用下产生的弯矩；并可根据桥梁跨径选取采用板拱、肋拱及箱形截面拱等多种截面形式；可见钢筋混凝土拱桥是一种经济、合理、可靠的桥梁结构形式。 然而，由于钢筋混凝土拱桥在拱脚处会产生较大的水平推力，对地基基础的要求较高，故其在桥梁设计中，尤其是在软土地基中，应用起来有很大的局限性。虽然有些桥梁可以通过设置系杆来平衡一部分水平推力、改善主拱及下部结构受力状态，但仍有较大的水平力需要由桥梁基础自身来承担，为此在软土地基中修建拱桥，不得不通过设置大直径群桩基础来平衡主拱水平推力。 本文以一座典型的三
3、跨上承式钢筋混凝土拱桥为例，对其进行静力及动力分析，着重研究基础刚度对桥梁上部及下部结构受力性能的影响，探讨计算基础刚度在钢筋混凝土拱桥设计及研究中的必要性，并可为实际工程提供指导。 1 工程概况 本工程位于河北省，桥梁主体结构为三跨上承式钢筋混凝土拱桥，桥梁全长 116m，跨径布置为 30m+56m+30m，矢跨比 1：7，桥梁全宽38m。边跨及中垮主拱均采用现浇钢筋混凝土板，板厚 1m；边拱与中拱之间设置副拱板，副拱板计算跨径为 16m，矢跨比 1：4；副拱板亦采用钢筋混凝土板，板厚 0.4m。主拱及副拱板顶均设置拱顶平台，拱顶平台之间设置现浇钢筋混凝土桥面板，板厚 0.6m。中墩采用钢筋
4、混凝土拱座，宽 3.0m，拱座基础采用双排直径 1.5m 钻孔灌注桩，顺桥向桩距 3.9m；边墩采用盖梁柱式墩，桩径 1.2m。桥梁总体布置如图 1 所示。 图 1 桥梁总体布置图 2 有限元模型建立 2.1 上部结构模型 上部结构主要受力构件有桥面板、主拱及副拱等，分析时均采用空间梁单元进行模拟，并假定构件均处于小变形、线弹性受力状态。主拱与副拱之间按完全刚接模拟；桥面板与主拱及副拱之间设置弹性连接。 2.2 下部结构模型 中墩拱座按三维实体单位进行模拟，拱座与主拱之间设置刚性连接；为简化计算，不对边墩下部结构进行模拟，仅在边拱板支点处设置弹性支承。 2.3 基础刚度模拟 通常可以采用以下两
5、种方式来模拟桩-土耦合作用： （1）桩周土采用弹塑性摩尔-库伦材料模拟，参数包括代表土体弹性的弹性模量和泊松比，代表土体塑性的摩擦角和粘聚力，容重和扩散角；桩基按梁单元进行模拟；桩与土体连接界面设置水平弹簧，弹簧水平向是完全刚性的，在竖直方向定义摩擦系数。 （2）桩基简化为空间梁单元，不对桩周土体单元进行模拟，土对桩的作用简化为多个单独的弹性支承。如右图所示。 为方便研究及结构分析，本文仅建立上部及下部结构有限元模型，基础刚度则以弹性支承的形式模拟。 全桥共离散成 180 个节点， 172 个单元，结构计算模型如图 2 所示。图 2 结构计算模型 刚度 SDx SDy SDz SRx SRy
6、SRz SDx 945096 -4110548 SDy SDz 13650881 SRx SRy -4110548 75679117 SRz 3 计算结果及讨论 根据本工程岩土勘察报告提供的场地土层情况描述以及结构桩基础具体布置，按照本文 2.3 中第（2）条方法，计算得到基础刚度值如表所示。 为了能更直观地研究基础刚度对结构受力性能的影响，本文仅对以下两种工况的各项计算结果进行比较。工况一：按基础实际刚度进行计算；工况二：按刚性基础进行计算，即假定基础刚度为无穷大。计算结果如下： 表 1 结构计算结果（恒载） 工况 边拱板轴力 （KN） 边拱板弯矩 （KN.m） 中拱板轴力 （KN） 中拱板
7、弯矩 （KN.m） 中跨拱顶位移（mm） 中墩水平力（KN） 工况一 36300 5550 34575 6775 9 3860 工况二 36200 5430 31900 2280 3 4650 表 2 结构计算结果（汽车荷载） 工况 边拱板轴力 （KN） 边拱板弯矩 （KN.m） 中拱板轴力 （KN） 中拱板弯矩 （KN.m） 中跨拱顶位移（mm） 中墩水平力（KN） 工况一 0 6450 1623 6900 11 2530 工况二 0 6340 3880 3330 2 3880 由以上计算结果可以得出如下结论： 中拱板受力状态受基础刚度影响很大。基础刚度越大，中拱板受力状态越好；反之，若基础
8、刚度减小，中拱板承受的轴向力将减小，而弯矩将显著增大，由以上计算结果可见，工况一作用下中拱板弯矩约是工况二作用下中拱板弯矩的 2 倍以上。 无论是在恒载还是活载作用下，基础刚度对边拱板的受力状态影响较小，两种工况作用下内力值相差仅在 3%之内，可忽略不计。 基础刚度对荷载作用下的拱顶位移影响很大，工况一作用下的拱顶位移约是工况二作用下拱顶位移的 35 倍，可见基础刚度对全桥整体刚度的贡献率很大，在对此类桥梁进行受力分析及结构设计时尤应注意。 基础刚度对下部结构受力亦有很大影响，两种工况作用下墩底水平力相差达到 20%以上，在进行受力分析及设计时不容忽视。 由以上分析可见，基础刚度直接影响桥梁受
9、力状态，结构计算内力对基础刚度值的变化非常敏感。若墩底边界条件简单的按刚性支承来模拟，会使计算结果与实际偏差很大，不仅会造成某些部位的设计不够经济合理，更重要的是会导致某些构件计算内力严重偏小，与实际受力状态不符；同理，若基础刚度模拟值过小，亦会造成计算结构的偏差。所以进行结构分析的关键点在于，采用合适的方法，对基础刚度进行正确模拟，以使计算结果与结构实际受力状态相吻合。 4 结语 钢筋混凝土拱桥基础刚度直接影响桥梁上部及下部结构受力状态，对某些构件的特定内力值影响能达到 2 倍以上；基础刚度对全桥刚度的影响也很大，拱顶竖向位移值误差能达到 35 倍以上。可见基础刚度值对桥梁整体受力性能的影响不容忽视，在对此类桥梁进行受力分析及结构设计时应特别注意。 参考文献 1公路桥涵设计手册-拱桥 北京: 人民交通出版社, 2000. 2陈宝春. 钢管混凝土拱桥计算理论研究进展 北京: 土木工程学报,2003 年 12 期. 3张治成. 大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究 浙江大学
