忻保線K116+179天橋設計

陳宏治

1 橋梁概況

根據山西省交通廳文件晉交公字［2007］433號《關于忻州至保德高速公路初步設計的批復》，在滿足高速公路功能要求的前提下，結合地方交通網絡的現狀、規劃，并與當地政府有關負責人現場勘察，合理確定了本橋的設計方案，滿足當地群眾生產、生活的需求。結構形式采用1-60m鋼筋混凝土現澆箱拱，中心樁號K116+179，全長83.24 m，右前夾角90°。下部結構為組合式橋臺，前臺為一字臺，鉆孔灌注樁基礎，后座為M7.5砂漿砌MU40片石抗滑塊，以承擔拱箱的水平推力。橋型布置圖見圖1。

2 技術標準

1)設計荷載:公路Ⅱ級。2)橋面寬度:凈 5.0+2×0.5(防撞護欄)。3)環境條件:Ⅰ類。4)地震動峰值加速度為0.05g。5)本橋平面位于直線段上，設計縱坡為3%，橋面橫坡為1.5%。

3 結構設計及計算

3.1 結構設計

1)主拱圈截面設計。拱圈高度h取值采用下列公式:

其中，l0為凈跨徑;Δ 取0.6 ～0.8。

拱圈寬度可取橋面寬度的0.6倍～1.0倍，橋面懸出拱圈以外可達4.0m，但拱圈寬度不得小于跨徑的1/20，以保證其橫向穩定性，見圖2。

2)拱上建筑設計。本橋拱上建筑由底墊梁、立柱、蓋梁、鋼筋混凝土簡支空心板橋面結構組成，設計時考慮以下3點:a.腹孔數采用奇數7孔，避免拱頂設置立柱。b.橋面系采用簡支結構，避免連續梁體系的附加內力會對主拱圈產生不利影響，也符合JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第9.5.2條“拱上建筑的板或梁宜采用簡支結構”的規定。c.腹孔選用10m標準化跨徑空心板符合JTG D62-2004第9.5.1條條文說明“一般取主拱跨徑的1/8～1/15，但從配合景觀考慮，也可適當采用稍大的比值”的規定。

3)矢跨比及拱軸線系數設計。按JTG D62-2004第9.5.1條“鋼筋混凝土拱的矢跨比，宜采用1/5～1/8”，故本橋矢跨比選用1/6。

空腹式鋼筋混凝土拱橋拱軸線不采用圓曲線的主要原因為矢跨比為定值時對應唯一的圓曲線形狀，相應的主拱圈各截面的恒載彎矩就確定了，無法調整。而懸鏈線可根據拱軸線系數m的變化改變拱軸線的形狀，具有較強的調整功能，可以獲得較為合理的恒載內力，滿足五點重合法，這是圓曲線做不到的。

拱軸線系數m的優化選擇需經過多次試算，本橋采用橋梁博士3.0程序建立計算模型。試算時考慮以下兩點:a.按JTG D62-2004第4.3.1條“不考慮拱上建筑與主拱圈的聯合作用”，使主拱圈裸拱受力，將主拱圈單元選擇為橋面單元，車道荷載直接在拱圈上布載。此時不可選取橋面為豎直截面，否則主拱圈單元截面不是與拱軸線垂直而是與水平方向垂直，由此產生單元截面尺寸的不同導致計算的單元剛度不一樣。在計算活載內力時，雖然活載的內力影響不大，但是變形和應力影響還是有的。b.拱上建筑如墊梁、立柱、蓋梁、空心板、鋪裝、護欄等恒載換算成主拱圈底墊梁位置處的集中力施加到主拱圈上，其中立柱計算先假定拱軸線為圓曲線，再根據橋面縱坡來確定各個立柱尺寸。經多次試算，選定拱軸系數為2.24，滿足JTG D62-2004第9.5.1條“拱軸系數，宜采用2.814 ～1.167”的要求。

3.2 結構計算

1)橋梁博士3.0數據輸入要點。采用橋梁博士3.0平面有限元程序進行計算。全橋模型共有節點101個，94個單元，其中包括28個空心板單元，6個立柱單元，60個拱圈單元。模型以順橋向為X軸，豎向為Y軸。采用空心板單元為橋面單元，橋面為豎直截面。立柱單元與主拱圈單元采用同一位置同一節點剛接，與上部空心板單元采用同一位置不同節點，主從約束的方法模擬橋面簡支體系。如圖3所示，79號立柱單元上端節點號79為主約束，節點79分別與節點63，103形成主從約束。2)計算輸出結果要點。一般地，對于本橋同類型的拱橋，在各項尺寸擬定合適以及合理選擇拱軸線的情況下，主拱圈截面配筋滿足JTG D62-2004中規定最小配筋率的構造配筋即可達到強度要求。

該類拱橋設計的主要問題之一是拱圈預拱度的計算與設置，按JTG D62-2004第6.5.5條要求，采用自定義組合計算預拱度。

拱頂處的總預拱度Δ=Δ1(拱圈及拱上建筑自重引起)+Δ2(1/2活載引起)+Δ3(拱圈溫度變化)+Δ4(拱座水平位移)。

當算出拱頂預拱度后，其余各點的預加高度可近似地按開口向下的二次拋物線分配，在拱腳處的預拱度為零。

［1］JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［2］邵旭東，程翔云.橋梁設計與計算［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］胡 敏.關于小橋涵設計的一些體會［J］.山西建筑，2009，35(16):304-305.