軟土地基上承式景觀拱橋設計

田 壽，方合雪，翟 考

(中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050035)

0 引言

拱橋作為一種常見的橋梁結構，具有悠久的歷史。拱式結構在上部結構自重和荷載作用下，會在拱腳處產生較大的水平推力，一般在軟土地基上不宜修建。但由于拱橋具有線形圓潤、造型美觀的優點，往往在濕地公園、濱水綠廊等處作為景觀橋梁又備受青睞。本文結合滄州市某濱海公園橋梁項目，對上承式拱橋平衡拱腳水平推力結構設計方面進行分析研究，為在軟土地基上修建景觀拱橋提供參考。

1 工程概況

該景觀拱橋為人行橋，橋面寬度為0.3 m欄桿+凈8.5 m+0.3 m欄桿。上部結構采用鋼筋混凝土板拱，計算跨徑38 m，矢高9 m，矢跨比1/4.222，拱軸線采用圓弧線，拱軸半徑24.556 m。主拱圈厚0.7 m，寬9 m。下部結構采用鋼筋混凝土拱座、承臺和預應力混凝土系桿，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。橋型布置圖見圖1。設計人群荷載4.0 kN/m2。橋址位于滄州濱海地區，地層主要為第四系全新統陸相沉積、海相沉積及上更新統陸相沖積形成的粉土、粉砂、粉質黏土、黏土，鉆探深度50 m共分12層，第①層為軟弱土，第②層～第⑧層為中軟土，第⑨層以下為中硬土。場地地下水位埋深4.60 m～4.80 m；采用標準貫入試驗判別法計算飽和粉土層、粉砂層不液化，場地為非液化場地。

2 結構方案比選

根據平衡拱腳水平推力結構形式的不同，拱橋可分為有推力拱橋和無推力拱橋。有推力拱橋橋臺一般采用淺基礎加阻滑板、沉井基礎加阻滑板或群樁基礎加阻滑板等結構[1]，依靠臺后主動土壓力、阻滑板摩阻力和基礎水平抗力來平衡水平推力。無推力拱橋一般采用縱向預應力系桿來平衡水平推力，常用的結構形式有下承式剛架系桿拱橋、中承式剛架系桿拱橋(飛鳥式)、上承式拱梁組合橋和中承式拱梁組合橋等[2]，這些橋型橋面較為平直，系桿多設置在橋面系箱梁中。本項目為人行景觀拱橋，前期方案已經確定橋面為拱形且豎曲線半徑較小，若采用無推力結構體系，在橋面中難以設置系桿，需要在兩承臺間設置暗埋式系桿。下面分別對有無推力兩種結構體系進行分析。

2.1 有推力體系結構分析

對于有推力結構形式，采用MIDAS civil軟件建立主拱結構模型，主拱圈采用梁單元模擬，拱上填料和橋面系重力按荷載計，拱腳按固結邊界考慮。考慮恒載、人群荷載、收縮徐變作用和溫度作用，算得拱腳水平推力最大值為Nx=7 495 kN，豎向反力最大值為Ny=9 296 kN。

1)淺基礎橋臺。淺基礎橋臺可根據橋梁現場情況確定是否設置阻滑板結構，拱的水平推力主要由淺基礎基底摩阻力、臺后主動土壓力和阻滑板基底摩阻力(若設置)來平衡；拱的豎向反力、臺上方填土重和基礎自重等由淺基礎承受。本橋算得基底最大壓應力為438 kPa。基底位于粉砂層，地基土承載力容許值為120 kPa。二者差距較大，若采取地基處理措施大幅提高地基承載力，成本較高，因此本橋不適合采用淺基礎加阻滑板結構。2)沉井基礎加阻滑板組合式橋臺。橋臺采用沉井基礎加阻滑板結構，拱的水平推力主要由沉井井壁后方主動土壓力和阻滑板基底摩阻力來平衡；拱的豎向反力、臺上方填土重和基礎自重由沉井井壁摩阻力和井底地基承載力承擔。本橋橋位地質有粉砂層，沉井排水下沉時易發生流砂現象，可能造成沉井傾斜，因此本橋也不適合采用沉井基礎加阻滑板結構。3)群樁基礎加阻滑板組合式橋臺。采用群樁基礎加阻滑板結構，拱的水平推力主要由臺后主動土壓力和阻滑板基底摩阻力來平衡，樁基礎主要承受拱的豎直力。受力分析采用靜力平衡法或變形協調法計算。采用靜力平衡法時，樁基礎可承擔10%～25%的水平推力，無斜樁時取低值，有斜樁時取高值[3]。采用變形協調法時，將土視為具有隨深度成正比變化的地基系數的彈性變形介質。由于拱橋橋臺不宜做水平位移且位移難以準確計算，本次采用靜力平衡法計算。

本橋每個橋臺設置6根樁基礎，采用雙排樁，樁徑1.4 m，樁長50 m；承臺尺寸為寬10 m，長6.4 m，高2.1 m；阻滑板寬度和橋臺臺身寬度一致，為9 m，為保證水平力共線，阻滑板基底標高與拱腳中心標高相近。由于橋面為拱形，阻滑板上方填土高度較低，僅為1.4 m。阻滑板板底換填碎石土，摩擦系數取μz=0.3。橋臺和阻滑板示意圖見圖2。

土層特性無變化且無汽車荷載時，臺后主動土壓力按下式計算[4]：

其中，Ex為主動土壓力的水平分力；B為橋臺計算寬度；γ為土的重度；H為計算土層厚度；α為橋臺背與豎直面的夾角；β為填土表面與水平面的夾角；φ為土的內摩擦角；δ為臺背與填土間的摩擦角。

臺后主動土壓力的水平分力Ex為:

Ex=E·cos(α+δ)。

式中參數意義同上。

阻滑板可提供基底摩阻力F為：

F=μz·(G1+G2)。

其中，μz為阻滑板板底與土間的摩擦系數；G1為阻滑板重力；G2為阻滑板上方填土重力。

該橋無斜樁，水平推力的10%由樁基礎承受，其余由臺后主動土壓力的水平分力和阻滑板提供。計算可得阻滑板厚2.0 m時，其長度至少22.5 m；阻滑板厚2.5 m時，其長度至少19.4 m；圬工量分別為810 m3和873 m3。可見采用阻滑板結構，臺后土方開挖量和混凝土工程量均較大。

2.2 無推力體系結構分析

無推力結構體系采用暗埋式系桿，按系桿剛度分為柔性系桿和剛性系桿。柔性系桿是在兩承臺間設置鍍鋅鋼絞線、低應力防腐鋼絞線或環氧涂裝鋼絞線等體外預應力柔性索，通過分階段張拉、逐級加荷來平衡拱腳水平推力。具有受力明確，受混凝土收縮徐變影響小等優點；也存在預應力索保護層偏弱、耐久性不足、需要周期性更換、分級張拉施工難度較大的缺點。剛性系桿是在兩承臺間設置預應力鋼筋混凝土系桿，通過預加應力來平衡水平推力。其優點是系桿為常規體內預應力構件，耐久性良好；預應力可一次張拉到位，施工簡便；拱腳水平位移小，結構安全儲備大[5]。缺點是主拱圈、拱座、承臺、系桿和樁基均為剛接，結構受力比較復雜。

為了便于施工和減少后期養護工作量，本橋采用剛性系桿。在兩承臺之間設置2道預應力混凝土剛性系桿，系桿截面尺寸為0.6 m×0.6 m，每道系桿中設置4束9φs15.2鋼絞線，錨下控制應力0.75fpk。為保證系桿穩定性，在兩系桿之間設置橫向和斜向支撐桿。系桿及支撐桿平面布置見圖3。

2.2.1 結構計算模型

采用MIDAS civil軟件建立全橋結構模型，主拱圈、系桿、承臺、樁基礎采用梁單元模擬，拱上填料和橋面系重力按二期恒載計，主拱圈、系桿、樁基和承臺之間采用剛性連接，樁基礎邊界條件采用土彈簧模擬[6]。作用考慮結構重力、系桿預加力、人群滿跨布載、人群半跨布載、收縮徐變作用和溫度作用等。結構模型見圖4。

2.2.2 計算結果

主拱圈按鋼筋混凝土構件設計，系桿按A類預應力混凝土構件設計。

1)主拱圈內力驗算。

在作用基本組合下，主拱圈內力及偏心距計算結果如表1所示。主拱圈配筋率大于0.05%，其抗壓承載力、抗剪承載力及偏心距均滿足規范要求。

表1 基本組合下主拱圈內力及偏心距計算結果

2)主拱圈撓度。

作用短期效應組合下，在一個橋跨范圍內的正負撓度的絕對值之和的最大值為9.12 mm，小于計算跨徑的1/1 000，橋梁剛度滿足要求。

3)主要結構裂縫。

正常使用狀態主拱圈裂縫最大值0.11 mm，小于Ⅲ類近海環境裂縫寬度限值0.15 mm，滿足規范要求。預應力拉桿未出現拉應力。

4)預應力拉桿驗算。

使用階段，拉桿混凝土最大壓應力2.07 MPa，在作用準永久組合下均未出現拉應力，在作用頻遇組合下最大拉應力0.85 MPa，鋼絞線最大拉應力1 153.9 MPa，均滿足規范要求。

3 結語

在軟土地基地區修建拱橋，需根據具體情況選用適宜的基礎形式。若采用有推力結構體系，淺基礎橋臺基底承載力一般不滿足要求；沉井基礎或樁基礎加阻滑板組合式橋臺，其橋臺基礎和阻滑板結構的圬工體積和基礎土方開挖量往往比較大，建議采用無推力結構體系。對于本文所述橋面為拱形的景觀拱橋，結合現場地質條件、施工能力以及運營期養護成本等因素，通過對比發現，采用暗埋式剛性系桿結構來平衡拱腳水平推力是一種比較可行的結構形式。