大跨徑箱型拱橋設計技術探析

徐建華

（新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

1 拱橋設計組成

主拱圈是拱橋的主要承重結構，它承受橋上的全部荷載，并將荷載傳遞至橋墩臺及基礎。由于主拱圈是曲線形，—般情況下車輛都無法直接在弧面上行走，所以在橋面與主拱圈之間需要有傳遞荷載的構件或填充物，以確保車輛能夠在平順的橋道上行駛。橋面系與主拱圈之間這些傳力構件或填充物統稱為拱上結構或拱上建筑。拱橋的下部結構（橋墩臺）起著支承橋跨結構的作用并將橋跨結構的荷載傳至基礎與地基。圖1所示的為中孔拱橋，因此只設置了橋臺，橋臺還起到連接拱橋與兩岸路堤連接的作用，使路橋形成一個協調的整體。

圖1 實腹式拱橋

2 拱橋設計

2.1 橋型選取

拱橋的選型多樣，即使同一個橋址也可選取不同形式的橋型，但應當結合橋梁的使用要求、長遠發展情況、設計與施工條件等綜合考慮確定橋型。根據工程實踐經驗，對于橋梁跨徑在100m以內的山區公路橋梁，當橋梁附近含有豐富的石料時，則可適宜考慮選取石拱橋，這樣可以有效地節省工程造價，同時方便施工。對于橋梁跨徑在80～100m的跨河橋，如無法搭設支架施工時，可采用鋼筋混凝土箱板拱或箱肋拱。目前箱板拱已經具備了設計施工經驗成熟、構造簡單等優點，但材料用量比箱肋拱大。

2.2 橋梁總體布置

2.2.1 合理地定取橋梁全長以及拱橋的分孔

橋梁的長度必須有效地確保橋下具有足夠的排洪面積，以能安全渲泄設計洪水流量，并使河床不致遭受較大的沖刷，同時應根據河床允許沖刷的程度，適當地縮短橋梁長度以有效地節省工程整體造價。具體設計時應根據水力水文計算以及技術經濟條件，綜合考慮以確定兩岸橋臺臺口之間的總長度，再根據縱、橫、平三個方向綜合考慮橋梁與兩頭路線的連接、橋臺的施工以及地質條件而確定橋臺的位置、形式以及相應的尺寸。

2.2.2 分孔設計

分孔是拱橋設計中關鍵的環節，對于通航河流在確定其孔數和跨徑時應根據通航孔和非通航孔分別考慮。通航孔的路徑和通航凈空高度應滿足航道等級規定的要求，并與航道部門協商共向確定。通航孔應設計在常水位時河床最深處或航行最方便的河域。對于航道可能變遷的河流，必須設置幾個通航孔，以有效地確保在主流位置變化后也能滿足通航要求。非通航孔或通航不合理的則根據經濟原則分孔，以使橋梁上、下部結構的總造價最低。同時應保證各孔凈跨徑之和滿足設計洪水流量安全通過的要求。

分孔時還應考慮施工的方便以及平戰結合的要求。通常全橋適宜采用等跨或分組等跨的分孔方式，并盡可能采用標準跨徑以有助于施工方便，又能改善下部結構的受力。分孔時需考慮全橋的造型。

2.3 拱橋的設計標高和矢跨比的確定

拱橋的設計標高有四個，即橋面標高、拱橋底面標高、起拱線標高和基礎底面標高（見圖2）。合理地確定這幾個標高是拱橋結構設計方案的重要問題。

圖2 拱橋的設計標高

拱橋的橋面標高一方面要考慮縱斷面設計要求，另外還要保證橋下凈空能滿足泄洪以及通航的要求。橋面標高反映了建橋的高度，相同縱坡條件下，橋高會使兩岸接線工程量顯著增加，橋梁的總造價提高。而橋面標高也不能設計過低，否則會影響通航和安全渲泄洪水。工程實踐表明，對于山區河流下的拱橋，由于兩岸公路路線的位置較高，橋面的標高應當由兩岸線路的縱斷面設計控制。對于跨越平原區河流的拱橋，橋面的最低標高一般由橋下通航及排洪要求控制。對于無鉸拱橋，拱腳可以設在設計洪水位以下，但淹沒深度不應超過凈矢高的2／3，并且拱頂底面都應高出設計洪水位1.0m。

橋面標高確定后，用橋面標高減去拱頂處的建筑高度，就可得到拱頂底面的標高。擬定起拱線標高時，為減小墩臺基礎底面的彎矩以節省下部結構的圬工用量，一般適宜選取低拱腳的設計方案。但是對于有鉸拱橋，拱腳需高出設計洪水位至少0.25m。為防止冰害，不論無鉸拱橋還是有鉸拱橋，拱腳均應高出最高流冰水位至少0.25m。

3 上承式拱橋的構造

對于當前應用較為廣泛的上承式拱橋，其設計所采用的主拱圈截面形式主要包含板拱、箱形肋拱、板肋拱、雙曲拱以及肋拱等。鑒于拱橋構造設計的重要性，下文將結合工程實踐，總結拱橋構造設計的技術要點。

3.1 合理地確定出肋拱的數目及其間距

對于肋拱的數目和間距應當結合橋梁寬度、材料性能、承受荷載情況以及施工條件來綜合確定。從構造簡化上考慮，由于目前大多數采用吊裝形式施工，為此肋拱的數目適宜采取少肋形式。設計實踐經驗表明，橋梁寬度在20m以內者適宜采取單幅雙肋拱形式；對于橋寬在20m以上時，則適宜采用分離的雙幅雙肋拱，以防止由于肋中距增大而造成肋間橫系梁、拱上結構橫向跨度與尺寸增大太多。同時為了有效地確保肋拱的橫向整體穩定性，對于上下游肋拱最外緣的間距一般不宜小于跨徑的1／15。

3.2 箱形肋拱的尺寸確定

肋拱尺寸應當根據拱圈的受力情況而確定，初步擬定肋高時，可根據跨徑的1／70～1／50來確定，肋寬則取肋高的1～2倍。對于采用單箱肋設計的肋拱，其肋拱尺寸不但要滿足使用階段的受力要求，同時還應滿足肋拱在施工中出現的吊裝、懸掛等的穩定性要求。

3.3 箱形板拱鋼筋布置

由于大跨徑箱形板拱橋的主拱圈在運營階段通常承受壓應力控制，拉應力一般較少，因此對于主拱圈的設計可采用素混凝土，但應當配置構造鋼筋，同時配置箱肋吊裝過程中的受力鋼筋。對于閉口型箱肋，通常可配置頂板和底板受力鋼筋；對于開口型箱肋，則可把鋼筋布置在箱壁上緣和底板上。鋼筋數量應當根據箱肋段在吊裝以及懸掛過程中的受力情況計算確定。對于成拱后此部分鋼筋，如達到最小配筋率要求，則在拱的驗算中可以將其計入。沿箱壁的高度方向應布置分布鋼筋，其間距不大于200mm。在頂、底板及腹板上沿拱軸方向一定間距應分別布置橫向及徑向鋼筋，同時應當對橫向、徑內鋼筋采取有效連接。在對鋼筋混凝土拱進行設計時，這時主拱圈截面的縱向受力鋼筋應當滿足使用階段的受力要求，同時還應當確保拱圈吊裝時的受力需要。

3.4 橫系梁設計

從受力角度來分析，對于箱型肋拱中的橫系梁，其可以有效地提高拱橋橫向穩定性，同時還可以分擔橫向荷載，顯然對于橫系梁的設計應確保其有足夠的剛度以及承載力要求，與肋拱之間的連接應當采取剛性連接。從肋拱的橫向穩定性以及構造要求角度考慮，橫系梁尺寸應當滿足這兩點要求，結合工程設計經驗，對于一般橫系梁高度可采取與肋拱高度相同原則，短邊尺寸可以取其長度的1／15。對于箱型截面的橫系梁則要求其壁厚不應小于100mm。在鋼筋構造配置方面，則要求橫系梁四周應配置直徑大于16mm鋼筋。橫系梁與肋拱的連接可以采取預埋鋼板焊接連接。同時為了有效地保證橫系梁與肋拱剛性連接，應當采取濕接頭，分別在肋拱側面與橫系梁端頭預留連接鋼筋，橫系梁安裝完成后則焊接鋼筋并現澆接縫混凝土，接縫寬度可采用300mm。

4 結語

拱橋結構設計應當在橋位選定，同時經過水文計算后進行。一個好的橋梁設計往往就體現在有一個合理的結構設計。拱橋的結構設計應當滿足適用、經濟、安全以及美觀的原則。

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