大跨徑拱橋承載力設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

姜明坤

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目地理位置及地質(zhì)情況

橋區(qū)地處貴州高原北部山區(qū)向四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶，位于遵義縣石板鎮(zhèn)東部5km處，受構(gòu)造、侵蝕、剝蝕作用較強(qiáng)烈，橋區(qū)地勢(shì)起伏較大。該橋橫跨水泊渡水庫(kù)，橋區(qū)附近海拔為803.20～903.30m，相對(duì)高差為100.10m，橋軸線(xiàn)地面高程為830.20～900.00m，相對(duì)高差為69.80m，兩橋臺(tái)地形較陡，管橋起點(diǎn)岸覆蓋層較厚，終點(diǎn)岸基巖出露較好。橋區(qū)地貌類(lèi)型屬侵蝕溶蝕型低中山河谷地貌。橋位區(qū)屬長(zhǎng)江水系烏江流域之三級(jí)支流下溪河，庫(kù)區(qū)常年期水位高程為844.54m，庫(kù)蓄量最高水位高程為848.0m。

橋位區(qū)內(nèi)地層主要由上覆第四系殘坡積層（Qel＋dl）碎石土、亞粘土及下伏基巖三疊系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段（T1y3）紫色泥質(zhì)粉砂巖、灰黃色泥灰?guī)r和九級(jí)灘段（T1y2）灰?guī)r組成。橋位區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷層通過(guò)。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

橋面寬度：10.0m。橋梁設(shè)計(jì)荷載：靜荷載：水重＋管重＋管座重；動(dòng)荷載：水錘效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)力。設(shè)計(jì)洪水頻率為1／100。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001），橋位地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，橋區(qū)地震基本烈度為VI度。本橋設(shè)計(jì)提高一級(jí)設(shè)防，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。

2 橋型方案擬定

根據(jù)地形、地貌及地質(zhì)情況，最初設(shè)計(jì)方案為7×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、5×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及主跨110m鋼筋混凝土箱拱。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁時(shí)，有幾個(gè)橋墩落在水庫(kù)中，雖然工程造價(jià)相對(duì)較低，但水庫(kù)最低水位時(shí)最大水深為23.5m，施工極其困難，且容易污染水體，加上在極度干旱的情況下放水施工是不現(xiàn)實(shí)的。因此，最終橋型方案確定為：上部構(gòu)造：5×10m（預(yù)制吊裝鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板）＋1×110m（鋼筋混凝土箱型拱）＋4×10m（預(yù)制吊裝鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板）。主跨110m鋼筋混凝土箱拱，拱圈高度為1.9m，矢跨比L0／F0＝1／6。經(jīng)計(jì)算，拱軸系數(shù)m＝1.756，單箱三室，采用懸拼拱架施工，引孔也采用10m預(yù)制吊裝鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板。下部構(gòu)造：橋墩墩身采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土三柱式圓形墩，基礎(chǔ)分別采用擴(kuò)大基礎(chǔ)及鉆孔樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)采用輕型臺(tái)及重力式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用樁基及擴(kuò)大基礎(chǔ)，拱座基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。由于本橋主拱圈大部分處于常洪水位變動(dòng)范圍內(nèi)，為了提高拱圈的耐久性，將對(duì)整個(gè)拱圈混凝土摻入改性聚丙烯纖維，摻入量可取1.0kg／m3。拱圈要考慮防滲措施，本橋抗?jié)B等級(jí)為W10，需加入的材料應(yīng)按相關(guān)規(guī)定取用，摻入量應(yīng)通過(guò)配合比試驗(yàn)確定。該橋橋形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 荷載分析

橋面全寬10m，共有4根水管從橋上通過(guò)，直徑從左到右依次為1.0m、1.4m、1.8m、0.6m，縱向每10m設(shè)一管座。管座重量與水管自重為46.92kN／m，當(dāng)管內(nèi)注滿(mǎn)水時(shí)，總重量為98.44kN／m（靜荷載）。水管通過(guò)橋梁后，自橋尾起向上通過(guò)坡度為25°的山坡，到達(dá)山頂高位出水池，高差為75.2m，水泵位于橋梁起點(diǎn)下方，高差為54.7m。

在水利管道設(shè)計(jì)中，有一因素需要考慮，即“水錘效應(yīng)”。電動(dòng)水泵合電起動(dòng)時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)，即可從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，管道內(nèi)的流量則從零增加到額定流量，由于流體具有動(dòng)量和一定程度的可壓縮性，所以，流量的急劇變化將在管道內(nèi)引起壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，出現(xiàn)“空化”現(xiàn)象，壓力的沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一般，稱(chēng)為“水錘效應(yīng)”。水錘效應(yīng)只和水本身的慣性有關(guān)系，和水泵沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于支撐輸水管道的橋梁結(jié)構(gòu)而言，水錘直接引起急劇變化的管道壓力可以看作自平衡內(nèi)力，通過(guò)管座傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)荷載可以忽略。但是水錘效應(yīng)以機(jī)械波的形式傳遞，引發(fā)的周期性的管道振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在威脅，需結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)力分析，并判斷共振的可能性。

針對(duì)橋上平鋪水管，水錘對(duì)橋梁的影響應(yīng)通過(guò)水流和管道的耦合動(dòng)響來(lái)體現(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在本橋設(shè)計(jì)采用的水管管徑、壁厚、管道敷設(shè)等條件下，水錘波固有頻率與橋梁結(jié)構(gòu)的低階固有頻率相差較遠(yuǎn)，二者不存在交叉，不會(huì)發(fā)生共振。但水錘效應(yīng)引發(fā)的周期性的管道振動(dòng)產(chǎn)生的附加力需要考慮，采用水錘效應(yīng)擬靜力分析，水錘效應(yīng)等效成大小為λqw（λ為水錘動(dòng)力放大系數(shù)；qw為水體等效均布力），向下作用的均布荷載作用于全橋。參考溫州 《大門(mén)大橋過(guò)橋水管方案安全評(píng)價(jià)》，動(dòng)力放大系數(shù)λ取1.5，計(jì)算得水錘效應(yīng)振動(dòng)產(chǎn)生的附加力為57.9kN／m。因此，本橋設(shè)計(jì)荷載為：管座重量＋水管自重＋水自重＋水錘效應(yīng)振動(dòng)產(chǎn)生的附加力＝156.34kN／m。

4 腹孔及引橋跨徑的選擇

過(guò)水管線(xiàn)原設(shè)計(jì)為每5m設(shè)一個(gè)管座，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及本橋主孔跨徑，拱上腹孔孔跨設(shè)計(jì)為10m，上部構(gòu)造采用鋼筋混凝土空心板較合適，按此設(shè)計(jì)，有一或兩個(gè)管座勢(shì)必落在橋面板跨徑之間。橋面板僅用于水管架設(shè)時(shí)施工車(chē)輛的通行和運(yùn)營(yíng)期間人員檢查維修使用，如此大的荷載置于橋面板跨徑之間，需要加強(qiáng)板的鋼筋。通過(guò)計(jì)算，若有一個(gè)管座置于橋面板中間或橋面板跨徑之間沒(méi)有放置管座，則需要增加1.95倍鋼筋，會(huì)造成較大的浪費(fèi)。為了節(jié)約工程造價(jià)及消除水錘效應(yīng)引發(fā)的周期性的管道振動(dòng)對(duì)橋面板的長(zhǎng)期影響，延長(zhǎng)橋面板的使用壽命，與管線(xiàn)設(shè)計(jì)單位溝通后將管線(xiàn)管座間距調(diào)整為10m，管座直接放置在墩頂處。鑒于上述原因，根據(jù)地形、地質(zhì)情況，將引橋跨徑也設(shè)計(jì)為10m，上部構(gòu)造同樣采用鋼筋混凝土空心板，方便施工人員集中預(yù)制、吊裝。

5 主拱圈計(jì)算

大跨徑拱橋應(yīng)驗(yàn)算拱頂、1／4拱跨、3／8拱跨和拱腳四個(gè)截面，必要時(shí)應(yīng)驗(yàn)算1／8拱跨截面。為節(jié)省篇幅，本例只驗(yàn)算拱頂、1／4拱跨和拱腳三個(gè)截面的內(nèi)力。其余截面，除不計(jì)彈性壓縮的內(nèi)力必須在影響線(xiàn)上直接布載求得以外，其步驟和1／4拱跨相同。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）第4.3.1條的規(guī)定，無(wú)鉸拱及雙鉸拱的計(jì)算可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯(lián)合作用，即主拱圈裸拱受力，現(xiàn)采用橋梁博士3.03軟件進(jìn)行分析計(jì)算（見(jiàn)圖2～圖6）。

經(jīng)計(jì)算，所設(shè)計(jì)的主拱圈各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。

6 主拱圈施工方案

長(zhǎng)期以來(lái)，拱橋都采用搭設(shè)滿(mǎn)堂支架進(jìn)行拱圈施工，但在許多特定的自然環(huán)境下，例如橋梁位于很高的深山狹谷中，在水位深、水流急及有通航要求的河流中，搭設(shè)滿(mǎn)堂拱架會(huì)遇到很大的困難甚至完全不可能。本橋由于處于水庫(kù)中，因此不可能采用滿(mǎn)堂支架施工，最可靠的方案為懸拼拱架施工，即以貝雷架拼裝體系為主要受力結(jié)構(gòu)，利用鋼絲繩做扣索進(jìn)行輔助受力的施工方法，在不能搭設(shè)滿(mǎn)堂拱架的地方，它是一種非常實(shí)用的施工方法。拱架采用空間有限元程序MIDAS／Civil進(jìn)行空間整體分析。

7 結(jié)語(yǔ)

拱橋外形美觀，其形狀能反應(yīng)出橋的受力狀況。拱橋不是簡(jiǎn)單地架在基礎(chǔ)之上，而是不斷地把基礎(chǔ)向外推，就好像把一個(gè)拱形梁兩腳著地放著，然后在拱頂加載，這個(gè)梁就會(huì)向兩端伸展變平。為了防止兩邊拱腳外移，要在兩邊設(shè)置重物來(lái)阻擋。有了這些橋臺(tái)，拱橋的承受能力要比單純把曲線(xiàn)形構(gòu)件拼成一跨的承受能力大的多，這就是拱橋的原理。拱橋設(shè)計(jì)在橋梁建設(shè)應(yīng)用中十分重要，也是較為復(fù)雜的，需結(jié)合土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)，根據(jù)橋梁專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)并解決設(shè)計(jì)中遇到的各種問(wèn)題。它對(duì)設(shè)計(jì)人員各方面素質(zhì)要求較高，在掌握土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，還要對(duì)地質(zhì)學(xué)等知識(shí)熟悉了解。

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[2]馬芹綱，陳方東，莊小將，等.大跨度斜拉橋過(guò)橋水管振動(dòng)關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].世界橋梁,2009，（4）：50-53.

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