上承式鋼筋混凝土空腹式拱橋設計及受力分析

■周 躍 盧士波 錢 鑫

(中國市政工程西北設計研究院有限公司，南京 210029)

1 引言

城市河道橋梁景觀在城市景觀、城市文化、城市形象中占有相當重要的作用，隨著人民生活水平的提高，人們對城市景觀的要求日趨迫切及重視[1]。橋梁作為在城市設計中經(jīng)常出現(xiàn)的構筑物，與自然環(huán)境、城市環(huán)境緊密相連。石埠橋位于江蘇省南京市棲霞區(qū)棲霞街道，地處南京東郊，棲霞山北面，緊鄰長江，橫跨九鄉(xiāng)河，九鄉(xiāng)河貫穿棲霞區(qū)南北，是棲霞山片區(qū)的主要水系，是區(qū)域“山、河”格局的重要組成部分。跨九鄉(xiāng)河的橋梁設計需從營造區(qū)域形象的角度出發(fā)，結合片區(qū)整體考慮，達到能突出城市風貌的實際效果。石埠橋景觀橋因片區(qū)河道景觀提升，在原橋位處拆除新建，跨越拓寬后美麗的九鄉(xiāng)河；結合片區(qū)整體城市設計理念，設計采用凈跨44m的上承式鋼筋混凝土空腹式拱橋，實現(xiàn)了結構與環(huán)境的完美融合。

2 工程概況

本工程為石埠橋北路跨九鄉(xiāng)河橋梁，橋下通行小游船，橋長64.6m，橋寬33m。橋梁跨徑為一孔凈跨44m的等截面圓弧線空腹式鋼筋砼拱橋，橋臺處設人行通道溝通九鄉(xiāng)河慢行步道，主拱圈上左右對稱設置凈跨3.5m的腹孔以減小拱橋自重。橋位處地基土工程性質較差，有大約12m～13m左右的淤泥質粉質黏土，地基水平向抗力系數(shù)m值為4000kN/m4。

(1)上部結構

上部結構設計采用單跨凈44m的上承式鋼筋混凝土空腹式板拱橋，拱圈為無鉸圓弧拱，矢跨比為1/6.027，拱軸線為圓弧線，主拱圈采用板厚0.6 m的鋼筋混凝土矩形截面；拱上腹拱每端設3孔，凈跨徑為3.5m，矢跨比為1/3.804，拱圈均采用板厚0.25 m的鋼筋混凝土矩形截面。如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

(2)下部結構

下部結構設計橋臺采用承臺鉆孔灌注樁基礎，承臺后設長15m止滑板的組合式橋臺。為提高橋臺處不良地基土的樁側土抗力，承臺以下鋼護筒可作為永久護筒，橋臺承臺及止滑板以下土體采用粉噴樁進行處理，粉噴樁樁徑0.6m，樁長約均13m，縱橫向間距1.0m，交錯布置，通過施工過程質量控制，保證處理后的地基水平向抗力系數(shù)m值達到不小于10000kN/m4。如圖2所示。

圖2 粉噴樁處理示意圖

3 結構受力分析

3.1 計算模型的建立

鋼筋混凝土板拱的靜力計算分析采用平面桿系理論，以拱軸線為基準線劃分結構離散圖，按施工步驟劃分數(shù)個施工階段和運營階段進行計算，總體計算采用有限元軟件《橋梁博士3.6.0》對拱橋整體結構進行建模計算，不考慮拱上建筑填料與拱圈的聯(lián)合作用，拱上填料均為荷載考慮。其中上部結構主拱圈、腹拱圈、立墻采用梁單元鋼筋混凝土構件斷面模擬；橋臺臺身以及承臺采用矩形截面梁模擬；樁基采用矩形等效截面模擬；拱圈與立墻、承臺處的節(jié)點處理采用剛臂單元模擬。樁土作用采用M法，模擬樁土橫向約束剛度及樁端豎向剛度約束；橋臺臺背作用的土壓力雙向彈性支承模擬，彈性系數(shù)也采用M法計算。建模時考慮支架的支撐作用，支架只約束了一個方向的自由度，在模型中采用單向只受壓彈性支撐系梁，抗壓剛度為支架材料的彈性模量乘以支架截面積除以支架的高度，在此假設支架變形不考慮，即設置彈性系數(shù)很大，模型圖見圖3。

圖3 有限元計算模型

3.2 上部計算結果分析

(1)結構抗彎承載力計算

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)[2]的相關規(guī)定，對主拱圈結構進行正截面抗彎承載力計算。拱圈結構的抗力及抗力對應內力如圖 4、圖 5所示。

圖4 最大抗力及對應內力

圖5 最小抗力及對應內力

由上圖可見，主拱圈結構部分的抗力均大于內力，結構抗彎承載力計算滿足規(guī)范要求。

(2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)主拱圈裂縫寬度驗算

本工程設計時采用配筋為D22@12cm，且于拱腳至1/4跨上下緣附近加強，加強筋為D22@12cm。按作用(或荷載)短期效應組合并考慮長期效應影響進行計算。對應Ⅰ類環(huán)境，裂縫寬度限值為0.2mm，經(jīng)計算最大裂縫寬度為0.11mm＜0.2mm，滿足規(guī)范要求，程序計算的各截面的裂縫寬度計算結果詳見下圖6。

圖6 結構上下緣最大裂縫寬度(mm)

(3)持久狀況正常使用極限狀態(tài)撓度驗算

根據(jù) 《公路圬工橋涵設計規(guī)范》[4](JTG D61-2005)5.1.11條規(guī)定，拱橋應按《公路橋涵設計通用規(guī)范》[3](JTG D60-2004)規(guī)定的作用短期效應組合，在一個橋跨范圍內的正負撓度的絕對值之和的最大值不應大于計算跨徑的1/1000,對于本橋不應大于44m/1000=0.044m。根據(jù)《公路圬工橋涵設計規(guī)范》(JTG D61-2005)5.1.8條規(guī)定，溫度作用效應乘以0.7的折減系數(shù)，混凝土收縮作用乘以0.45的作用效應。則在短期效應組合下，在一個橋跨范圍內的正負撓度的絕對值之和的最大值為：0.023+0.7×0.8×0.017+0.7×0.8×0.017+0.7×0.001+0.7×0.003=0.044m， 不大于規(guī)范要求的計算跨徑的1/1000。故結構的撓度滿足要求。

(4)拱橋整體“強度-穩(wěn)定”驗算

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62-2004的相關規(guī)定進行驗算。經(jīng)驗算縱向穩(wěn)定滿足要求。b/L=32.8/44=0.75＞1/20，因此橫向穩(wěn)定不需計算。

3.3 下部計算結果分析

由橋博全橋模型計算結果可知，樁頂最大位移為5.6mm＜6mm，滿足規(guī)范要求。

本工程中橋臺采用群樁基礎加止滑板的組合式橋臺，計算過程中僅考慮了止滑板0.5倍的抗推作用，其他作為安全儲備。計算中樁土作用采用M法，粉噴樁處理后地基土取值m=10000kN/m4，未處理土層取值m=4000kN/m4，基底巖土 Co=1500000 kN/m4，計算值見表 1。

表1 下部計算結果

結合 《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63-2007)的相關規(guī)定，下部承臺、樁基均滿足規(guī)范要求，結構安全可靠。

4 結論

(1)上承式拱橋設計時應保證結構線形優(yōu)美的同時盡量避免產生較大的水平推力，適當增大矢跨比 (避免坦拱)、增加樁基數(shù)量及間距、加設臺后止滑板等有效措施來減小墩臺水平位移，控制樁頂水平位移在規(guī)范限值，提高結構整體安全和穩(wěn)定性。

(2)臺后填土能抵消部分水平推力，對拱橋的穩(wěn)定非常重要，因此臺后填土應保持穩(wěn)定，嚴格控制橋臺臺后回填土的施工質量。要求臺后采用6%灰土回填，分層夯密實，要求密實度不小于96%。分層厚度不宜大于20 cm，嚴禁松土回填或突擊回填，嚴禁用淤泥質土回填；施工時必須嚴格按照設計給的施工步驟圖控制臺背回填土的標高。

(3)由于本工程橋梁處軟土地基深厚，樁基施工時應注意護筒口的標高寧高勿低、保證護筒埋設深度不小于5m、泥漿比重應考慮此因素，避免塌孔事故的出現(xiàn)。且樁頂附近的混凝土質量必須確保可靠，要求鉆孔樁應比設計多澆筑不少于80cm，然后用人工鑿去樁頭多余混凝土，扳開鋼筋，以確保樁頭混凝土中沒有泥漿混入，保證樁抗彎性能，承臺以下鋼護筒可作為永久護筒。

(4)對于軟土地基上修建有水平推力的上承式拱橋計算模擬分析時，考慮臺背土壓力的作用的模擬，對全橋計算結果有一定的影響，主要是考慮土的作用后全橋結構變柔，希望本文對今后該同類型橋梁的設計和建設具有一定的參考價值。