山區(qū)大跨徑拱橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

王玲麗 朱金波

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

貴州高速為典型的山區(qū)公路，因地勢(shì)起伏較大，為實(shí)現(xiàn)跨越需大量建橋挖隧道，大跨徑拱橋在其中占有重要比重，拱橋受力情況與拱軸線形密切相關(guān)，當(dāng)矢跨比確定后，拱軸系數(shù)決定了拱軸形狀，合理選定拱軸系數(shù)是拱橋設(shè)計(jì)的首要前提，文中結(jié)合婭石慶特大橋設(shè)計(jì)過(guò)程，簡(jiǎn)要分析山區(qū)大跨徑拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 橋型方案比選

婭石慶特大橋是貴州省金沙經(jīng)仁懷至桐梓高速公路的一座重要工程，場(chǎng)區(qū)為深切“U型”溝谷地形，河谷寬約139m，深約115m，溝谷兩側(cè)各有一個(gè)卸荷裂隙帶，走向均與陡崖基本平行，垂直豎向發(fā)育，延伸較長(zhǎng)；溝谷底部金沙岸陡崖腳沿河道分布著大量堆積體，為上方陡崖斜坡長(zhǎng)期崩塌堆積形成，坡腳處有常年流水河流；另外，橋位位于婭石慶水庫(kù)下游，橋梁孔跨布置須考慮水庫(kù)泄洪影響。根據(jù)上述限制條件以及橋位處地質(zhì)情況，充分分析選用合適的橋型，進(jìn)行方案比選設(shè)計(jì)。

金沙岸卸荷裂隙帶有明顯錯(cuò)動(dòng)跡象，若在溝谷谷底設(shè)主墩，主墩墩高接近160m，不但墩高太高，而且主墩還可能受卸荷裂隙帶落石撞擊，造成橋墩受損或更嚴(yán)重的事故；同時(shí)，因橋址處于婭石慶水庫(kù)下游，“U型”溝谷谷底有大量堆積體，夏季洪峰來(lái)臨時(shí)，溝谷須配合水庫(kù)泄洪，若在谷底設(shè)主墩，主墩將受洪水沖刷，以及洪水流動(dòng)帶來(lái)的谷底堆積體的撞擊，另一方面，主墩也影響洪水通過(guò)，溝谷的行洪能力不滿足要求，介于以上原因，主橋采用跨越溝谷、不在溝谷設(shè)置主墩的方案。

金沙岸溝谷側(cè)巖層為順層，地質(zhì)情況從上至下依次為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖、中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖、中風(fēng)化灰?guī)r，順層巖石外側(cè)為卸荷裂隙帶，為避免巖層順層以及卸荷裂隙帶引起的不穩(wěn)定，需將基礎(chǔ)置于順橋向離卸荷裂隙帶10m以上。從路線縱斷面上看，路線設(shè)計(jì)線到兩岸穩(wěn)定的基巖頂面高度約35～40m，對(duì)應(yīng)的桐梓岸基礎(chǔ)位于中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖層內(nèi)，為確保桐梓岸基礎(chǔ)穩(wěn)定，將桐梓岸基礎(chǔ)設(shè)于距卸荷裂隙帶5m以上的位置，這樣金沙岸至桐梓岸的主跨跨徑在200m左右，根據(jù)主跨跨度及兩岸地形地質(zhì)情況，主橋采用拱橋方案。設(shè)計(jì)兩種主橋布置方案，方案一：主跨200m上承式鋼筋混凝土懸澆拱橋，拱圈采用懸鏈線鋼筋砼箱型截面，凈跨徑Lo=200m，凈矢高fo=34m，凈矢跨比f(wàn)o/Lo=1/5.88，拱軸系數(shù)m=1.85，全橋孔跨布置為2x30m簡(jiǎn)支T梁+200m鋼筋砼箱形拱+6x30m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁；方案二：主跨220中承式鋼管拱橋，主拱采用懸鏈線鋼管混凝土等截面桁架拱，凈跨徑Lo=220m，凈矢高h(yuǎn)=55.0m，凈矢跨比f(wàn)=1/4，全橋孔跨布置為1x30m簡(jiǎn)支T梁+1x220m的中承式鋼管混凝土桁架拱+5x30m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁。

方案一因拱橋矢跨比要求，金沙岸拱腳埋置較深，拱座底距地面約27m，1號(hào)墩邊坡防護(hù)量大，清方量較大，主拱拱圈采用斜拉扣掛懸臂澆筑法施工，施工工藝較成熟，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，工程造價(jià)較低；方案二中，主拱拱圈采用斜拉扣掛懸臂拼裝法施工，拱圈鋼結(jié)構(gòu)吊裝及運(yùn)輸難度稍大，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，工程造價(jià)較高，且后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高。本著經(jīng)濟(jì)適用原則，推薦方案一。推薦方案橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 拱軸系數(shù)的探討

實(shí)腹式拱橋的恒載由拱頂至拱腳呈連續(xù)分布，恒載壓力線是一條懸鏈線，懸鏈線是實(shí)腹式拱橋的合理拱軸線。空腹式拱橋的恒載由立柱傳給主拱圈，恒載分布不連續(xù)，其恒載壓力線與拱軸線不能完全重合，目前普遍做法是，仍采用懸鏈線作為其拱軸線，采用五點(diǎn)重合法使拱軸線與恒載壓力線的拱頂、1/4截面、拱腳截面盡量重合。

探討拱軸系數(shù)對(duì)拱橋的影響主要從以下兩個(gè)方面展開，首先，討論拱軸系數(shù)變化對(duì)拱軸線形的影響。根據(jù)方案設(shè)計(jì)中推薦的凈跨徑Lo=200m，凈矢高fo=34m，凈矢跨比0/L0=1/5.88＜1/5，為坦拱，初擬拱軸系數(shù)m=1.85。利用懸鏈線公式及上述條件，先推算出計(jì)算跨徑、計(jì)算矢高，再利用懸鏈線公式計(jì)算出拱軸各點(diǎn)的坐標(biāo)。改變拱軸系數(shù)，查看拱軸系數(shù)對(duì)拱軸線形的影響，步距按0.1取，分取m=2.15、1.95、1.75、1.65，同樣需要根據(jù)方案中給定的凈跨徑、凈矢高，反算出計(jì)算跨徑、計(jì)算矢高，然后再利用計(jì)算跨徑、計(jì)算矢高根據(jù)懸鏈線公式計(jì)算出拱軸坐標(biāo)。將各m值下的計(jì)算跨徑L值、計(jì)算矢高、計(jì)算跨徑比m=1.85時(shí)的增加值及增加百分比、計(jì)算矢高比m=1.85時(shí)的增加值及增加百分比制成表格，如表1所示。由表1可見，在給定的凈跨徑、凈矢高條件下，計(jì)算跨徑、計(jì)算矢高與拱軸系數(shù)同向變化，但變化值不大，計(jì)算跨徑變化最大0.034m（0.02%），計(jì)算矢高變化最大0.013m（0.04%）。

表1 各拱軸系數(shù)m下的計(jì)算跨徑、計(jì)算矢高對(duì)比

其次，討論拱軸系數(shù)變化對(duì)拱橋受力的影響。用大型有限元程序Midas建立包括拱上建筑在內(nèi)的全橋模型，因?yàn)楣拜S系數(shù)m值改變帶來(lái)的計(jì)算跨徑增加值較小，所以建模時(shí)暫不考慮由于計(jì)算跨徑變化帶來(lái)的各立柱沿橋軸向位置的變化，只改變拱軸坐標(biāo)及立柱的豎向坐標(biāo)。分別建立拱軸系數(shù)m=2.05、1.95、1.85、1.75、1.65時(shí)的有限元模型，計(jì)算恒載作用下，各m值下的拱頂、1/4截面、拱腳截面的彎矩和軸力，以及各控制截面的軸力增加百分比、彎矩增加百分比、偏心距e=M/N，如表2所示。

表2 各拱軸系數(shù)m下的軸力、彎矩對(duì)比

由表2可見，不同拱軸系數(shù)下各控制截面的軸力基本沒有變化，彎矩變化較大，但均不為零，所以理論上的五點(diǎn)重合法很難做到，只能讓e值盡可能小。拱軸系數(shù)選取時(shí)，首先保證1/4控制截面的偏心最小，拱頂截面可以保留一定的負(fù)彎矩[1]，上表中當(dāng)m=1.85時(shí)，1/4控制截面的偏心值最小，為0.005，拱頂截面的負(fù)彎矩為-5564.3kN·m，故合理拱軸系數(shù)取m=1.85。

3 主要構(gòu)造設(shè)計(jì)

1）主拱圈：拱圈為單箱雙室截面，單幅箱寬8.0m，箱高3.8m。拱腳支架現(xiàn)澆段頂?shù)装搴穸扔?0cm漸變至30cm，邊腹板厚度由80cm漸變至40cm，中腹板由70cm漸變至30cm。拱圈其它節(jié)段頂?shù)装搴?0cm，邊腹板厚度為40cm。中腹板厚度為30cm。拱腳0號(hào)段采用支架現(xiàn)澆，1～16號(hào)段采用掛籃懸澆施工，跨中HZ合攏段采用掛籃吊架施工。

2）主橋橋面系：主橋橋面梁的設(shè)計(jì)，主要從盡量減少拱上建筑的重量、合理設(shè)置拱上立柱（拱上橫墻）數(shù)量、方便施工角度考慮。立柱將上部橋面系的重量傳到主拱圈，立柱處的集中荷載使主拱圈承受的恒載壓力線不平滑[2]，同時(shí)如果拱上立柱（拱上橫墻）數(shù)量較多，也不利于景觀。設(shè)計(jì)中一方面適當(dāng)減少立柱的數(shù)量，減少立柱對(duì)主拱圈的干擾，另一方面通過(guò)減輕橋面系重量來(lái)減小立柱處集中荷載的大小。

橋面梁可選用空心板、小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁等結(jié)構(gòu)形式，各結(jié)構(gòu)形式均可采用預(yù)制吊裝施工，施工方便。若橋面梁采用空心板，根據(jù)空心板的跨徑經(jīng)濟(jì)適用范圍8.0～20.0m，則立柱數(shù)量需10～15根左右，若橋面梁采用T梁、小箱梁或鋼-混凝土組合梁，橋面梁跨徑采用25m左右，則立柱數(shù)量需8根左右，相比之下，8根立柱對(duì)主拱圈、環(huán)境景觀的干擾少。空腹拱的拱上建筑跨徑一般取主拱跨徑的1/8～1/15，這樣主拱受力較為均勻[3]。根據(jù)主跨布置取橋面梁設(shè)計(jì)跨度為23.8m，23.8m跨度下五片小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁每延米重量分別約為201.7kN/m、236.2kN/m、113.2kN/m，相比之下鋼-混凝土組合梁的重量輕很多。用大型有限元程序Midas建立全橋模型，計(jì)算橋面梁在小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁三種結(jié)構(gòu)形式下，主拱圈的極限承載力，詳細(xì)對(duì)比情況如表3所示。

表3 各截面形式下的軸力、彎矩對(duì)比

圖2 全橋模型

由表3可見，小箱梁、T梁結(jié)構(gòu)形式下，拱圈1/4截面極限軸力增加20%左右，極限彎矩增加50%以上。綜上，橋面梁采用鋼混組合梁形式，該形式下不但自重輕、設(shè)計(jì)立柱數(shù)量少，更有利于主拱圈受力，而且大橋造型更加輕盈美觀，與橋位處景觀匹配更加融洽。

3）拱上立柱、系梁：拱上立柱最大高度為23m，最小高度為1m，立柱根據(jù)高度情況采用三種形式：①高度15m及以上的用雙柱式墩設(shè)一道系梁，截面尺寸采用160cmx140cm；②高度2～15m用雙柱式墩不設(shè)系梁，截面尺寸采用140cmx140cm；③高度1m及以下的用矩形墻式截面，截面尺寸采用140cmx800cm。1、8號(hào)立柱高度分為23m、19m，采用截面形式①，2、3、6、7號(hào)立柱高度分為11m、4m、2.5m、8m，采用截面形式②；4、5號(hào)立柱高度分為1m、0.5m，采用截面形式③；1、8號(hào)立柱設(shè)置一道截面尺寸為150cmx120cm的橫系梁。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中主要對(duì)婭石慶特大橋的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了全面論述。首先，結(jié)合婭石慶特大橋的地形地質(zhì)情況，詳細(xì)闡述了大橋主跨確定過(guò)程，并對(duì)主跨橋型方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比選，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；其次，根據(jù)橋型方案，探討拱軸系數(shù)變化時(shí)，拱橋線形的改變情況。通過(guò)對(duì)比不同拱軸系數(shù)下，各主要截面的受力變化情況，根據(jù)“首要確保1/4點(diǎn)的偏心距最小，拱頂留有一定負(fù)彎矩的原則”選定合理拱軸系數(shù)；最后，簡(jiǎn)要介紹了婭石慶特大橋的主要構(gòu)造設(shè)計(jì)，說(shuō)明了空腹式拱橋橋面梁的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括立柱間距的選取，橋面梁適用的結(jié)構(gòu)形式，為此類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。