坦拱橋設計問題初探

黃興波

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，人們對城市中橋梁的景觀要求越來越高，橋梁已不僅僅是跨越河流的建筑，而成為了城市中的一道風景。由于城市中的河流大多較窄，且主要功能為排洪，因此拱橋以其線條流暢，造型優美而被廣泛采用。又由于市內非機動車眾多，道路縱坡度不能過大，因此坦拱橋成為首要選擇的橋型。始建于隋代的趙州橋，以其精美的造型，巧妙的設計一直使用至今，為世界橋梁史上之首創，被稱為“坦拱橋之祖”。

本文結合工程實例，闡述了在坦拱橋設計時應注意的一些問題及相應的解決方法。

1 工程概況

龍亭橋位于江蘇省溧陽市，跨越灣溪河，河口寬約25 m，為城市排洪河道，無通航要求。

1)設計荷載:公路—Ⅰ級，人群荷載3．5 kN/m2。2)設計車速:40 km/h。3)橋型布置:道路中心線與河流中心線交角為96°(右偏角)，主拱為空腹式鋼筋混凝土板拱，凈跨徑為25．14 m，斜橋斜做。橋型布置如圖1所示。4)拱圈設計參數:主拱凈跨徑為25．14 m，凈矢高4 m，拱圈厚50 cm;主拱上設兩腹拱，凈跨徑為3 m，凈矢跨比為1/5，拱圈厚15 cm。橋梁全長50．54 m，橫橋向按功能斷面分為人行道、非機動車道及機動車道，采用整幅斷面，全寬30 m(見圖2)。

圖1 橋型布置示意圖

圖2 橫橋向斷面圖

2 地質狀況

根據地質勘探報告，勘探深度內(地表下34．50 m以淺)揭露的巖土體為第四系全新統(Q4)及上更新統(Q3)松散沉積物，具層狀分布特征，主要由粘性土組成;下伏為第三紀上新統(N2)泥巖。

根據鉆探野外觀察、原位測試及室內試驗成果，可分為10個工程地質層:①-1層為素填土;③層為粘土;④層～⑧層為粉質粘土;⑨層為粉質粘土;⑩層為泥巖，紫紅色為主，泥砂質結構，塊狀構造，局部為砂質泥巖，巖芯呈短柱狀～長柱狀，錘擊聲啞易碎，易吸水軟化、崩解，巖石堅硬程度分類為極軟巖類，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級，屬極低強度巖石地基，未揭穿，控制厚度4．50 m～9．40 m。樁基設計參數見表1。勘探深度內各巖土層分布相對欠穩定，未發現不良工程地質作用，適宜于本工程建設。根據公路橋梁抗震規范判定，本場地內20 m以淺無地震液化土層分布，⑩層巖土可用作鉆孔灌注樁基礎持力層。

3 結構設計

利用平面桿系有限元軟件，建立拱橋模型，拱圈按實際截面建模，橫墻及腹拱按集中力施加，填料及鋪裝等二期恒載按均布荷載施加，基礎按規范模擬為一個柱底固結的框架。

本橋為無鉸拱結構，由于矢跨比較小，上部結構荷載較重，因此拱腳內力較大，經計算拱腳軸力為21 500 kN，設計采用雙排樁基礎，以⑩泥巖為樁基礎持力層。

臺后填土高6．8 m，因拱腳水平推力較大，僅靠雙排樁基抗彎無法滿足要求，因此臺后設置8 m長臺階形阻滑板，板上設置側墻，側墻間填筑碎石土，依靠臺后主動土壓力及阻滑板摩阻力來平衡拱腳水平推力。

表1 樁基設計參數表 kPa

4 施工步驟

1)因橋梁跨徑不大，水深較淺，故主拱圈施工采用滿堂支架整體現澆。承臺一次澆筑，預留與拱腳相接部分，待主拱圈鋼筋布置完畢后一起現澆。主拱圈澆筑時從拱腳開始，逐漸向拱頂平衡推進，并控制好時間，應在當日氣溫最低時封拱。待主拱圈合龍并達到設計強度95%以上時，現澆橫墻及腹拱圈，待腹拱圈達到設計強度95%以上時，進行拱上建筑的施工。

2)支架須預壓，預壓超載系數為1．1，加載至少7 d，最后3 d沉降曲線起平后且不大于1 mm/d時進行卸載。

3)側墻待拱圈成型后立模現澆，考慮到現場施工單位技術實力及取材難易，將拱上填料由固化粉煤灰調整為素混凝土。

4)先施工橋臺后座，再進行臺后填土，然后施工拱上填料，同一時刻臺后填土標高不得低于拱上填料標高。

5)橋頭設置兩道2 cm無縫伸縮縫，其縫內填料用鋸末屑與瀝青按1∶1比例制成預制板，在施工時嵌入，并在上緣設置能活動而不透水的覆蓋層，橋臺后座與側墻之間設置變形縫，變形縫不留縫寬，采用油毛氈隔開。

5 結語

當拱橋矢跨比較小時，拱腳水平推力過大，采用傳統的雙排樁基礎已無法滿足要求，此時可在橋臺后設置臺階式阻滑板，同時考慮臺后主動土壓力的作用，可滿足橋臺抗滑要求。本橋已建成通車一年多，使用良好。

［1］ 萬虹宇，鄔剛柔．大跨徑拱橋拱軸線參數對幾何非線性影響研究［J］．山西建筑，2010，36(22):345-346．