茅以升公益橋設(shè)計(jì)方案研究

摘要：茅以升公益橋?yàn)樯铣惺酱至鲜皾{砌體無鉸拱橋。文章以該橋設(shè)計(jì)方案為依托，闡述了砌體偏心受壓構(gòu)件抗壓承載力與偏心距的關(guān)系，明確了該橋拱軸系數(shù)取值依據(jù)，研究了拱腳位移對(duì)上承式石拱橋主拱內(nèi)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：主拱肋拱軸線線型和截面構(gòu)造宜按小偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)拱軸系數(shù)m取2.6時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配較合理；主拱肋內(nèi)力對(duì)拱腳水平位移較敏感，應(yīng)嚴(yán)格控制拱腳水平位移。

關(guān)鍵詞：石拱橋；偏心距；拱軸系數(shù)；拱腳位移

中圖分類號(hào)：U442.5 A 51 181 2

0 引言

石拱橋具有構(gòu)造簡單、造型優(yōu)美、取材方便、造價(jià)低和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在我國具有悠久的歷史，當(dāng)今世界上保存最為完善、跨徑最大的單孔敞肩型石拱橋——趙州橋距今已有1 400余年歷史［1］。在20世紀(jì)60年代左右，我國修建的大量石拱橋，目前仍然發(fā)揮著重要的交通作用。在當(dāng)今大跨橋梁的建設(shè)中，石拱橋不再具有競(jìng)爭(zhēng)力，但是在山區(qū)修建石拱橋，既能保證與環(huán)境協(xié)調(diào)，又能節(jié)約工程成本。

本文闡述了茅以升公益橋設(shè)計(jì)方案，研究了砌體偏心受壓構(gòu)件抗壓承載力與偏心距的關(guān)系，分析了拱軸系數(shù)取值依據(jù)，探討了拱腳位移對(duì)上承式石拱橋主拱肋內(nèi)力的影響規(guī)律，為同類橋梁工程建設(shè)提供參考。［2］

1 建設(shè)方案

1.1 工程背景

茅以升公益橋是廣西河池市天峨縣六排鎮(zhèn)納洞村的民生工程。原漫水橋是納洞村村民、農(nóng)用車、小轎車通行的重要通道，橋?qū)? m，橋下泄水孔由5根內(nèi)徑為1 m的圓管組成。每年6～10月，洪水經(jīng)常漫過橋面0.3 m左右，洪水最高峰時(shí)水面漫過橋面1.3 m。經(jīng)常性漫水給河左岸納洞村屯300多人的出行帶來不便，同時(shí)存在極大的安全隱患，當(dāng)?shù)亟煌ㄖ鞴懿块T及村民希望能新建一座橋梁，保障村民的出行安全。茅以升公益橋的建設(shè)將為周邊群眾的交通出行提供便利，新增安全連接紐帶。

1.2 橋位方案

納洞村為低山地貌，兩岸村莊主要集中在原漫水橋周邊，右岸村道沿河岸延伸，左岸村道從原漫水橋處向山區(qū)延伸。橋位方案的確定主要考慮兩個(gè)因素：（1）盡可能利用現(xiàn)狀道路的銜接，節(jié)約工程成本；（2）有利于周邊群眾的出行。納洞村村委、村民建議新建橋橋位直接利用漫水橋橋位。因此，選擇原漫水橋處作為新建橋梁的橋位，既能方便周邊群眾的出行，又能減少銜接道路的建設(shè)，節(jié)約工程投資。

1.3 橋型方案

茅以升公益橋?yàn)樯铣惺酱至鲜皾{砌體無鉸拱橋，橋梁全長23.2 m，橋?qū)?.5 m。主拱圈拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為2.6，凈跨徑L0=20 m，凈矢高f0=3.636 3，凈矢跨比f0/L0=1/5.5。

主拱圈跨中10 m范圍內(nèi)為實(shí)腹段，兩側(cè)各設(shè)2個(gè)半徑為1.3 m、1.0 m的腹拱，這種型式又稱為敞肩拱。敞肩拱可以增加泄洪能力，4個(gè)腹拱可增加約11%的過水面積，減小洪水對(duì)橋梁的沖擊力，提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性；敞肩拱相比實(shí)肩拱可節(jié)省大量拱上建筑材料，減輕橋身的自重；同時(shí)，敞肩拱造型優(yōu)美，4個(gè)腹拱與主拱結(jié)合，顯得更加輕盈，體現(xiàn)了建筑與藝術(shù)的融合。

1.4 基礎(chǔ)方案

擴(kuò)大基礎(chǔ)為推力拱橋較常采用的基礎(chǔ)方案。本項(xiàng)目橋位兩岸覆蓋層為卵石層，右岸卵石層底面標(biāo)高為227.2 m，總厚度約為5 m；左岸卵石層底面標(biāo)高為228 m，總厚度約為4 m；施工水位為231 m。若采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，施工過程中水易倒灌，存在較大的安全隱患，且距右岸橋尾約5 m處的電線桿需改遷，增加工程造價(jià)，因此，擴(kuò)大基礎(chǔ)在本項(xiàng)目中不是較優(yōu)方案。而承臺(tái)+樁基礎(chǔ)方案施工便利，且工程造價(jià)較低，因此本項(xiàng)目基礎(chǔ)型式采用此方案。

1.5 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：鄉(xiāng)村道路（支路）。

（2）設(shè)計(jì)速度：15 km/h。

（3）汽車荷載：城-B級(jí)（車道荷載乘以0.6折減系數(shù)、車輛荷載乘以0.5折減系數(shù)），按《鄉(xiāng)村道路工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51224-2017）中小型車專用道路標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

（4）橋面寬度：橋面寬度為5.5 m，具體布置形式為0.25 m欄桿+0.5 m（檢修道）+4 m（行車道）+0.5 m（檢修道）+0.25 m欄桿。

（5）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

（6）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（7）橋梁所屬的環(huán)境類別：Ⅰ類。

2 砌體偏心受壓構(gòu)件承載力與偏心距的關(guān)系

根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61-2005），砌體偏心受壓構(gòu)件承載力的驗(yàn)算與偏心距的大小有密切關(guān)系。取凈跨徑為20 m的粗料石砂漿砌體無鉸拱橋開展研究，截面寬度和高度分別取5.5 m和0.75 m，塊石強(qiáng)度等級(jí)為MU60，砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M20。

截面抗壓承載能力與偏心距的關(guān)系如圖１所示，當(dāng)偏心距小于界限偏心距0.6 s（s值表示截面或換算截面重心軸至偏心方向截面邊緣的距離，下同）時(shí)，按小偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算；當(dāng)偏心距大于界限偏心距0.6 d時(shí)，按大偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。從圖1可知，截面處于大偏心受壓時(shí)，抗壓承載能力較低，宜按小偏心受壓進(jìn)行主拱拱軸線線型和截面構(gòu)造設(shè)計(jì)。

3 主拱拱軸系數(shù)優(yōu)化分析

矢跨比和拱軸系數(shù)是影響拱橋主拱結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵參數(shù)［3］。結(jié)合橋位處洪水位、兩岸地形及周邊路網(wǎng)條件，主拱宜采用坦拱，矢跨比取1/5.5，拱軸系數(shù)m是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的重要參數(shù)。

為研究拱軸系數(shù)m對(duì)主拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的影響，分別取m為1.4、1.8、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0開展拱軸系數(shù)參數(shù)敏感性分析。根據(jù)不同拱軸系數(shù)取值開展結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，并計(jì)算截面偏心距，不同工況下主拱截面最大偏心距與拱軸系數(shù)關(guān)系如表1、表2所示，其中彎矩最大工況為拱頂截面，彎矩最小工況為拱腳截面。

從表1～2可以看出，拱軸系數(shù)越大，拱腳截面偏心距越小，拱頂截面偏心距越大，拱軸系數(shù)的選取應(yīng)綜合考慮。當(dāng)m≤1.8時(shí)，最不利工況下截面最大偏心距大于界限偏心距0.225；當(dāng)3≥m≥2.2時(shí)，最不利工況下截面最大偏心距均小于界限偏心距0.225；當(dāng)m=2.6時(shí)，偏心距最小，結(jié)構(gòu)受力最合理，因此，拱軸系數(shù)取2.6。

4 主拱對(duì)拱腳位移敏感性分析

為研究樁頂位移對(duì)主拱結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律，分別取拱腳水平位移為1 mm、2 mm和3 mm，豎向位移為1 mm、10 mm和20 mm。主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移關(guān)系如圖2所示，主拱拱腳截面彎矩與拱腳豎向位移關(guān)系如后頁圖3所示。從圖2～3可以看出，主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移和豎向位移均呈線性關(guān)系，且主拱拱腳截面彎矩對(duì)拱腳水平位移較敏感。由前述可知，主拱截面宜按照小偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此應(yīng)嚴(yán)格控制樁頂水平位移，建議清除拱座基坑開挖過程對(duì)后趾造成擾動(dòng)的土體，并在拱座后趾砌筑漿砌片石頂緊原狀土，以控制其水平位移。

5 結(jié)語

本文介紹了茅以升公益橋設(shè)計(jì)方案，論證了主拱肋拱軸系數(shù)取值依據(jù)，分析了拱腳位移對(duì)主拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）拱軸系數(shù)越大，拱腳截面偏心距越小，拱頂截面偏心距越大，拱軸系數(shù)的選取應(yīng)綜合考慮。當(dāng)m≤1.8時(shí)，最不利工況下截面最大偏心距大于界限偏心距0.225；當(dāng)3≥m≥2.2時(shí)，最不利工況下截面最大偏心距均小于界限偏心距0.225；當(dāng)m=2.6時(shí)，偏心距較小，結(jié)構(gòu)受力最合理，建議拱軸系數(shù)取2.6。

（2）主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移和豎向位移呈線性關(guān)系，且對(duì)拱腳水平位移較敏感，設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制拱腳的水平位移。

參考文獻(xiàn)

［1］茅以升.中國古橋技術(shù)史［M］.北京：北京出版社，1986.

［2］胡柏學(xué)，鐘珍云，謝海秋，等.中國石拱橋發(fā)展述評(píng)［J］.湖南交通科技，2006，32（1）：124-126，142.

［3］曾有鳳.鋼管混凝土拱橋拱軸線參數(shù)敏感性分析［J］.西部交通科技，2021（5）：109-111，150.

收稿日期：2022-12-20