不等跨連拱拱橋結構設計

謝雄

（常州市規劃設計院，江蘇 常州 213003）

不等跨連拱拱橋結構設計

謝雄

（常州市規劃設計院，江蘇 常州 213003）

從橋型方案構思、擬定結構尺寸、結構計算等方面對一座不等跨連拱拱橋作介紹和分析。采用m法考慮樁土共同作用，計算群樁基礎抗推剛度，用以模擬彈性約束邊界條件。利用有限元軟件建立三維模型，對結構承載能力及穩定性進行計算分析。

不等跨；連拱拱橋；m法；抗推墩

0　引言

近年來，鐘祥市工業經濟發展迅猛，城區規模擴張要求迫切，現有交通干道已不能滿足經濟發展及城區規劃建設的要求，對繼續保持經濟發展良好勢頭形成了一定程度的制約。為了緩解城區交通壓力、改善城市環境、促進區域經濟發展、打造中國優秀旅游城市，鐘祥市擬在南湖上新建東環路，與現有西環路、S311省道、校場路相連，形成城市外環交通干道；這對完善市區公路網絡，推進鐘祥市的經濟、旅游建設，加快經濟發展將起到重要作用。

擬建東環路跨湖橋跨越鐘祥市城區東側鏡月湖西北角尾部相對較狹窄水域，為東環路上一座重要大橋，東環路的建設將使鐘祥外環線連通，同時連通北部S311省道與南部S216省道，理順公路過境交通，對減輕城區交通壓力起到重要作用。該橋橋位處水面寬約500 m，橋下無通航要求。該項設計本著以滿足交通需求為核心，綜合考慮景觀與功能要求，與沿湖的自然環境相協調并增添一景的原則進行構思和設計，橋位如圖1所示。

1　設計標準

（1）設計荷載：公路-Ⅰ級，人群荷載：3.5 kN/m2；

（2）橋梁全長：約500 m（不含接線）；

（3）橋面寬度：3.5 m（人行道含欄桿）+16 m（機動車道）+3.5 m（人行道含欄桿）=23 m；

（4）橋面縱坡：1.5%和2.5%；

圖1　橋梁區位圖

（5）橋面橫坡：行車道雙向2%，人行道1.0%；

（6）地震動峰值加速度：0.05 g；

（7）橋梁設計基準期：100 a；

（8）橋梁設計安全等級：一級；

（9）橋下無通航要求。

2　方案構思

鐘祥市位于湖北省中部、漢江中游，擁有悠久的歷史，孕育了光輝燦爛的楚文化，是中國歷史文化名城，中國優秀旅游城市，世界文化遺產——明顯陵所在地；是典型的文化古城和水鄉城市。而拱橋橋型弧線優美輕柔、古樸大方，在與環境協調上，拱橋風格、功能與外形的統一比其他橋型優越，拱橋曲線的外部形態和韻律變化更符合人們的美感要求。它既有華夏民族拱式建筑的藝術特征，還具有兼容人文景觀和自然景觀協調美的特性。因此，結合橋位現狀，初步設計了兩個跨湖方案。方案一為橋長280 m實腹式拱橋，兩邊各接路堤長110 m；方案二為橋長500 m多孔不等跨上承式鋼筋混凝土圓弧拱橋。最后通過評審，一致確定橋長500 m拱橋為選定方案。該方案不僅安全、經濟、美觀，而且與鐘祥的自然環境相協調。它既能充分發揮其交通功能，又能充分體現鐘祥的自然景觀及時代的要求，使其成為城市的標志景觀。全橋線條流暢，節奏明快，宛如長虹臥波般鑲嵌于湖光山色中。富有韻律的拱形，恰到好處地融入周圍湖面山川之中。方案如圖2所示。

圖2　連拱拱橋方案圖

3　主梁結構設計

3.1上部構造設計

橋梁上構采用33孔不等跨圓弧線板拱橋，兩橋臺前墻前端間距離為484.8 m。該橋最小跨徑6.8 m，最大跨徑22.5 m，從邊跨到中跨，凈矢跨比為1/4.25～1/3.65，橋跨中心橋面標高相對橋梁起點橋面標高抬高4.9 m，使得該橋氣勢雄偉。為了突出該橋的曲線美，分別設計1.5%和2.5%的縱坡，并在黃金分割點設置變坡點，進一步使得該拱橋與起伏變化、富有層次的周邊互相呼應、渾然一體。主拱圈凈跨徑從6.8 m～22.5 m變化，根據跨徑的不同，凈跨徑為6 m到10.2 m之間的拱圈，以0.6 m遞增跨徑；凈跨徑為12.5 m到21.5 m之間的拱圈，以1.5 m遞增跨徑；凈跨徑10.2 m和12.5 m之間設有11.2 m過渡跨徑。根據不同跨徑及構造要求設置不同的拱圈厚度，拱圈厚度在35 cm到55 cm之間變化。

為了減輕拱上結構重力，將拱上結構做成梁拱式拱上建筑，通過拱上側墻將拱橋裝飾成實腹式古典拱橋。由于跨徑相差1.5 m的拱跨拱腳水平推力相差較大，因此，在設計中還考慮對凈跨徑14.85 m（不含14.85 m）以上主拱圈進行挖空，將主拱圈設計成沿橋面中線對稱的等寬兩幅板拱，兩板拱間凈距從2 m變化到5.2 m，通過挖空不同主拱圈來進行優化設計，從而巧妙地使跨徑相差較大的拱圈在恒載作用下水平力差值減小，同時進一步考慮增加不等厚度的護拱調節拱腳處恒載作用下的水平推力。

3.2下部構造

橋墩采用實體墩臺配樁基礎，承臺下面加20 cm厚的素混凝土墊層，墩臺樁基嵌入弱風化巖層不小于4 m。根據受力不同，橋墩厚度從1.2 m到2 m間變化，樁徑分別從1.2 m、1.4 m、1.5 m依次變化；為了平衡水平力及施工需要，全橋在相連兩拱圈拱腳水平推力相差較大處設置制動墩，共設置6個制動墩，墩厚2 m，樁徑采用1.2 m、1.4 m兩種。

3.3其他

橋面鋪裝采用5cm厚瀝青混凝土+8cm C40防水混凝土。主拱圈、橫梁、橋臺拱座采用C40混凝土；拱上側墻、拱上橫墻、墩上橫墻采用C25片石混凝土（片石強度不低于M U40）。拱上側墻、主拱圈及橋墩側面采用花崗巖鑲面，大理石雕花欄桿。伸縮縫:兩橋臺處采用SSFB-80型伸縮縫，橋墩處采用無縫式伸縮縫，橋型布置如圖3所示。

圖3　橋型布置圖

4　結構計算分析

該橋為不等跨連拱拱橋，小跨徑段7孔為一聯，中跨徑段4孔為一聯，大跨徑段3孔為一聯，聯與聯之間設置制動墩，由于每聯的受力特性相似，故以橋梁中心樁號附近最大的三孔組成的一聯為對象分析橋梁結構受力特性。

4.1邊界條件計算

根據工程地質勘察報告，該聯橋位處樁基穿越土層從上至下依次為：粘土層、細砂層、卵石層、強風化泥質粉砂巖、弱風化泥質粉砂巖層。橋梁樁基嵌入弱風化泥質粉砂巖的深度不小于2倍樁徑。

一般來說，橋墩相對拱圈越細柔，在荷載作用下，拱墩結點的位移就越大，連拱的影響也越明顯；而當橋墩相對拱圈越剛性，則在荷載作用下，各拱墩結點的位移就越?。?］。計算證明，如要求活載內力的計算誤差不超過5%，則僅當橋墩的抗推剛度是拱圈抗推剛度的38倍以上時，多孔拱橋才可以不計連拱作用的影響，近似地按固定拱計算。但在實際拱橋中，拱與墩的剛度比如此之小的情況是極少的［2］。故在計算中簡單地將下部群樁基礎簡化成一個無位移與轉角的剛性約束，顯然是不太準確的。應考慮橋墩基礎的抗推剛度及抗彎剛度。剛度的定義如下:當橋墩的底部固定，頂端 （固接或鉸接）產生單位水平位移（Δ=1）而無轉動時所需要的水平推力，稱為墩的抗推剛度。當橋墩的底部固定，頂端（固接）產生單位轉角（α=1）而無水平位移時所需要的力矩，稱為墩的抗彎剛度。

該項計算通過參看文獻［3］附錄P提供的m法，考慮樁基礎與土體之間的相互作用，計算出相關參數。承臺以下樁深范圍內存在五個土層，根據文獻［3］附錄P公式（P.0.2-3）將各土層的水平向抗力系數的比例系數m換算成一個m'值，作為整個深度的m'值，算得m'值為163 762 kN/m4。后利用橋梁博士中的多排彈性基礎計算程序，算出群樁基礎施加于制動墩承臺的抗彎剛度為：5.125e+007 kN·m，順橋向抗推剛度為：1.016e+007 kN；加于一般墩承臺的抗彎剛度為：2.912e+007 kN·m，順橋向抗推剛度為：7.093e+006 kN。

4.2有限元建模及計算

根據設計資料，采用有限元軟件M IDAS Ci vi l 2015建立三孔連拱拱橋有限元模型，中孔凈跨22.5 m，兩邊孔凈跨22 m，對結構進行整體受力分析，單元及節點劃分見圖4所示。橋梁構件全部采用梁單元模擬，橋墩與拱圈，拱圈與橫墻之間采用剛性支撐連接，橫墻與橋面板之間采用主從約束連接，拱上側墻及橋面附屬結構作為二期線性恒載?？紤]施加公路-Ⅰ級及群人活荷載。簡化橋墩樁基模型，將考慮樁基礎和土層的相互作用計算出的橋墩抗推剛度和抗彎剛度，作為承臺底部彈性邊界條件。

圖4　全橋結構離散模型

4.3計算結構

按照橋梁的施工程序，對成橋階段和運營階段以下荷載工況進行荷載組合：恒載（自重+二期恒載）、收縮徐變、支座沉降（0.005 m）、活載（車道荷載+人群荷載）、整體升降溫，計算出承載能力極限狀態下主拱的彎矩、軸力及剪力；計算出標準組合下承臺的基底反力及水平位移，見圖5所示及表1所列。

圖5　承載能力極限狀態拱圈彎矩包絡圖（單位：kN·m）

表1　承臺底面內力匯總表（標準值組合）

從計算結果可知，在承載能力極限狀態下，拱圈的拱腳截面彎矩為：-2 476 kN·m、1/4跨徑截面彎矩為：2 231.9 kN·m及靠近拱頂截面彎矩為：2 739 kN·m，皆為內力相對較大的截面，拱圈承載能力為：3 060 kN·m，承載能力尚有富余，具有較大的安全儲備。在成橋狀態，標準組合下，制動墩的位移為：1 m m，符合規范規定的限值要求。

5　施工工序簡介

第一階段：采用常規方法完成橋臺及橋墩樁基、承臺及臺身與墩身的施工。第二階段：采用滿堂支架施工第一聯，即0#臺至7#墩之間的拱圈（見圖6）。第三階段：0#臺至5#墩之間的拱圈脫架，保留5#墩至7#墩之間的拱圈支架（見圖7）。第四階段：采用滿堂支架施工第二聯，即7#墩至11#墩之間的拱圈。第五階段：5#墩至9#墩之間的拱圈脫架，保留9#墩至11#墩之間的拱圈支架。第六階段：采用滿堂支架施工第三聯，即11#墩至15#墩之間的拱圈，同時可施工第一聯拱上建筑，包括橫墻、側墻。依此規律施工至橋梁中心樁號一聯，剩余的1/2對稱部分依此步驟施工。最后施工附屬結構，進行荷載加載實驗，交付使用。

圖6　第二施工階段示意圖

U448.22

B

1009-7716（2016）09-0126-03

2016-04-25

謝雄（1986-），男，湖南益陽人，碩士，工程師，從事道事與橋梁工程設計工作。