謝雄

（常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 常州 213003）

不等跨連拱拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝雄

（常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 常州 213003）

從橋型方案構(gòu)思、擬定結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算群樁基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)承載能力及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)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(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，城區(qū)規(guī)模擴(kuò)張要求迫切，現(xiàn)有交通干道已不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城區(qū)規(guī)劃建設(shè)的要求，對繼續(xù)保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好勢頭形成了一定程度的制約。為了緩解城區(qū)交通壓力、改善城市環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、打造中國優(yōu)秀旅游城市，鐘祥市擬在南湖上新建東環(huán)路，與現(xiàn)有西環(huán)路、S311省道、校場路相連，形成城市外環(huán)交通干道；這對完善市區(qū)公路網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)鐘祥市的經(jīng)濟(jì)、旅游建設(shè)，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到重要作用。

擬建東環(huán)路跨湖橋跨越鐘祥市城區(qū)東側(cè)鏡月湖西北角尾部相對較狹窄水域，為東環(huán)路上一座重要大橋，東環(huán)路的建設(shè)將使鐘祥外環(huán)線連通，同時(shí)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(qū)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(xiàng)設(shè)計(jì)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(huán)境相協(xié)調(diào)并增添一景的原則進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)，橋位如圖1所示。

1　設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)，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(jī)動(dòng)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(qū)位圖

（5）橋面橫坡：行車道雙向2%，人行道1.0%；

（6）地震動(dòng)峰值加速度：0.05 g；

（7）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；

（8）橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

（9）橋下無通航要求。

2　方案構(gòu)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(yōu)秀旅游城市，世界文化遺產(chǎn)——明顯陵所在地；是典型的文化古城和水鄉(xiāng)城市。而拱橋橋型弧線優(yōu)美輕柔、古樸大方，在與環(huán)境協(xié)調(diào)上，拱橋風(fēng)格、功能與外形的統(tǒng)一比其他橋型優(yōu)越，拱橋曲線的外部形態(tài)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(shù)特征，還具有兼容人文景觀和自然景觀協(xié)調(diào)美的特性。因此，結(jié)合橋位現(xiàn)狀，初步設(shè)計(jì)了兩個(gè)跨湖方案。方案一為橋長280 m實(shí)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(píng)審，一致確定橋長500 m拱橋?yàn)檫x定方案。該方案不僅安全、經(jīng)濟(jì)、美觀，而且與鐘祥的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。它既能充分發(fā)揮其交通功能，又能充分體現(xiàn)鐘祥的自然景觀及時(shí)代的要求，使其成為城市的標(biāo)志景觀。全橋線條流暢，節(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1上部構(gòu)造設(shè)計(jì)

橋梁上構(gòu)采用33孔不等跨圓弧線板拱橋，兩橋臺(tái)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(biāo)高相對橋梁起點(diǎn)橋面標(biāo)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(shè)計(jì)1.5%和2.5%的縱坡，并在黃金分割點(diǎn)設(shè)置變坡點(diǎn)，進(jìn)一步使得該拱橋與起伏變化、富有層次的周邊互相呼應(yīng)、渾然一體。主拱圈凈跨徑從6.8 m～22.5 m變化，根據(jù)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(shè)有11.2 m過渡跨徑。根據(jù)不同跨徑及構(gòu)造要求設(shè)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(jié)構(gòu)重力，將拱上結(jié)構(gòu)做成梁拱式拱上建筑，通過拱上側(cè)墻將拱橋裝飾成實(shí)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(shè)計(jì)中還考慮對凈跨徑14.85 m（不含14.85 m）以上主拱圈進(jìn)行挖空，將主拱圈設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)進(jìn)一步考慮增加不等厚度的護(hù)拱調(diào)節(jié)拱腳處恒載作用下的水平推力。

3.2下部構(gòu)造

橋墩采用實(shí)體墩臺(tái)配樁基礎(chǔ)，承臺(tái)下面加20 cm厚的素混凝土墊層，墩臺(tái)樁基嵌入弱風(fēng)化巖層不小于4 m。根據(jù)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(shè)置制動(dòng)墩，共設(shè)置6個(gè)制動(dòng)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(tái)拱座采用C40混凝土；拱上側(cè)墻、拱上橫墻、墩上橫墻采用C25片石混凝土（片石強(qiáng)度不低于M U40）。拱上側(cè)墻、主拱圈及橋墩側(cè)面采用花崗巖鑲面，大理石雕花欄桿。伸縮縫:兩橋臺(tái)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(jié)構(gòu)計(jì)算分析

該橋?yàn)椴坏瓤邕B拱拱橋，小跨徑段7孔為一聯(lián)，中跨徑段4孔為一聯(lián)，大跨徑段3孔為一聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置制動(dòng)墩，由于每聯(lián)的受力特性相似，故以橋梁中心樁號(hào)附近最大的三孔組成的一聯(lián)為對象分析橋梁結(jié)構(gòu)受力特性。

4.1邊界條件計(jì)算

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該聯(lián)橋位處樁基穿越土層從上至下依次為：粘土層、細(xì)砂層、卵石層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。橋梁樁基嵌入弱風(fēng)化泥質(zhì)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(xì)柔，在荷載作用下，拱墩結(jié)點(diǎn)的位移就越大，連拱的影響也越明顯；而當(dāng)橋墩相對拱圈越剛性，則在荷載作用下，各拱墩結(jié)點(diǎn)的位移就越?。?］。計(jì)算證明，如要求活載內(nèi)力的計(jì)算誤差不超過5%，則僅當(dāng)橋墩的抗推剛度是拱圈抗推剛度的38倍以上時(shí)，多孔拱橋才可以不計(jì)連拱作用的影響，近似地按固定拱計(jì)算。但在實(shí)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(jì)算中簡單地將下部群樁基礎(chǔ)簡化成一個(gè)無位移與轉(zhuǎn)角的剛性約束，顯然是不太準(zhǔn)確的。應(yīng)考慮橋墩基礎(chǔ)的抗推剛度及抗彎剛度。剛度的定義如下:當(dāng)橋墩的底部固定，頂端 （固接或鉸接）產(chǎn)生單位水平位移（Δ=1）而無轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的水平推力，稱為墩的抗推剛度。當(dāng)橋墩的底部固定，頂端（固接）產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角（α=1）而無水平位移時(shí)所需要的力矩，稱為墩的抗彎剛度。

該項(xiàng)計(jì)算通過參看文獻(xiàn)［3］附錄P提供的m法，考慮樁基礎(chǔ)與土體之間的相互作用，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。承臺(tái)以下樁深范圍內(nèi)存在五個(gè)土層，根據(jù)文獻(xiàn)［3］附錄P公式（P.0.2-3）將各土層的水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)m換算成一個(gè)m'值，作為整個(gè)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(chǔ)計(jì)算程序，算出群樁基礎(chǔ)施加于制動(dòng)墩承臺(tái)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(tái)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(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，單元及節(jié)點(diǎn)劃分見圖4所示。橋梁構(gòu)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(cè)墻及橋面附屬結(jié)構(gòu)作為二期線性恒載?？紤]施加公路-Ⅰ級(jí)及群人活荷載。簡化橋墩樁基模型，將考慮樁基礎(chǔ)和土層的相互作用計(jì)算出的橋墩抗推剛度和抗彎剛度，作為承臺(tái)底部彈性邊界條件。

圖4　全橋結(jié)構(gòu)離散模型

4.3計(jì)算結(jié)構(gòu)

按照橋梁的施工程序，對成橋階段和運(yùn)營階段以下荷載工況進(jìn)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(jì)算出承載能力極限狀態(tài)下主拱的彎矩、軸力及剪力；計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺(tái)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(tài)拱圈彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

表1　承臺(tái)底面內(nèi)力匯總表（標(biāo)準(zhǔn)值組合）

從計(jì)算結(jié)果可知，在承載能力極限狀態(tài)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(nèi)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(chǔ)備。在成橋狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)組合下，制動(dòng)墩的位移為：1 m m，符合規(guī)范規(guī)定的限值要求。

5　施工工序簡介

第一階段：采用常規(guī)方法完成橋臺(tái)及橋墩樁基、承臺(tái)及臺(tái)身與墩身的施工。第二階段：采用滿堂支架施工第一聯(lián)，即0#臺(tái)至7#墩之間的拱圈（見圖6）。第三階段：0#臺(tái)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(lián)，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(lián)，即11#墩至15#墩之間的拱圈，同時(shí)可施工第一聯(lián)拱上建筑，包括橫墻、側(cè)墻。依此規(guī)律施工至橋梁中心樁號(hào)一聯(lián)，剩余的1/2對稱部分依此步驟施工。最后施工附屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)行荷載加載實(shí)驗(yàn)，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(shè)計(jì)工作。