■周 躍 盧士波 錢 鑫

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)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(dāng)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(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的構(gòu)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?？缇培l(xiāng)河的橋梁設(shè)計(jì)需從營造區(qū)域形象的角度出發(fā)，結(jié)合片區(qū)整體考慮，達(dá)到能突出城市風(fēng)貌的實(shí)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(jié)合片區(qū)整體城市設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)采用凈跨44m的上承式鋼筋混凝土空腹式拱橋，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)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?qū)?3m。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(shè)人行通道溝通九鄉(xiāng)河慢行步道，主拱圈上左右對稱設(shè)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(zhì)較差，有大約12m～13m左右的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地基水平向抗力系數(shù)m值為4000kN/m4。

(1)上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橋臺采用承臺鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，承臺后設(shè)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(cè)土抗力，承臺以下鋼護(hù)筒可作為永久護(hù)筒，橋臺承臺及止滑板以下土體采用粉噴樁進(jìn)行處理，粉噴樁樁徑0.6m，樁長約均13m，縱橫向間距1.0m，交錯(cuò)布置，通過施工過程質(zhì)量控制，保證處理后的地基水平向抗力系數(shù)m值達(dá)到不小于10000kN/m4。如圖2所示。

圖2 粉噴樁處理示意圖

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 計(jì)算模型的建立

鋼筋混凝土板拱的靜力計(jì)算分析采用平面桿系理論，以拱軸線為基準(zhǔn)線劃分結(jié)構(gòu)離散圖，按施工步驟劃分?jǐn)?shù)個(gè)施工階段和運(yùn)營階段進(jìn)行計(jì)算，總體計(jì)算采用有限元軟件《橋梁博士3.6.0》對拱橋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)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(jié)構(gòu)主拱圈、腹拱圈、立墻采用梁單元鋼筋混凝土構(gòu)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(diǎn)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(jì)算。建模時(shí)考慮支架的支撐作用，支架只約束了一個(gè)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(shè)支架變形不考慮，即設(shè)置彈性系數(shù)很大，模型圖見圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型

3.2 上部計(jì)算結(jié)果分析

(1)結(jié)構(gòu)抗彎承載力計(jì)算

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)[2]的相關(guān)規(guī)定，對主拱圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行正截面抗彎承載力計(jì)算。拱圈結(jié)構(gòu)的抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力如圖 4、圖 5所示。

圖4 最大抗力及對應(yīng)內(nèi)力

圖5 最小抗力及對應(yīng)內(nèi)力

由上圖可見，主拱圈結(jié)構(gòu)部分的抗力均大于內(nèi)力，結(jié)構(gòu)抗彎承載力計(jì)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(yàn)算

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

圖6 結(jié)構(gòu)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(yàn)算

根據(jù) 《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](JTG D61-2005)5.1.11條規(guī)定，拱橋應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3](JTG D60-2004)規(guī)定的作用短期效應(yīng)組合，在一個(gè)橋跨范圍內(nèi)的正負(fù)撓度的絕對值之和的最大值不應(yīng)大于計(jì)算跨徑的1/1000,對于本橋不應(yīng)大于44m/1000=0.044m。根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D61-2005)5.1.8條規(guī)定，溫度作用效應(yīng)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(yīng)。則在短期效應(yīng)組合下，在一個(gè)橋跨范圍內(nèi)的正負(fù)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(jì)算跨徑的1/1000。故結(jié)構(gòu)的撓度滿足要求。

(4)拱橋整體“強(qiáng)度-穩(wěn)定”驗(yàn)算

根據(jù) 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D62-2004的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)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(jì)算。

3.3 下部計(jì)算結(jié)果分析

由橋博全橋模型計(jì)算結(jié)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(chǔ)加止滑板的組合式橋臺，計(jì)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(chǔ)備。計(jì)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(jì)算值見表 1。

表1 下部計(jì)算結(jié)果

結(jié)合 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)的相關(guān)規(guī)定，下部承臺、樁基均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)論

(1)上承式拱橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)線形優(yōu)美的同時(shí)盡量避免產(chǎn)生較大的水平推力，適當(dāng)增大矢跨比 (避免坦拱)、增加樁基數(shù)量及間距、加設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)保持穩(wěn)定，嚴(yán)格控制橋臺臺后回填土的施工質(zhì)量。要求臺后采用6%灰土回填，分層夯密實(shí)，要求密實(shí)度不小于96%。分層厚度不宜大于20 cm，嚴(yán)禁松土回填或突擊回填，嚴(yán)禁用淤泥質(zhì)土回填；施工時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)給的施工步驟圖控制臺背回填土的標(biāo)高。

(3)由于本工程橋梁處軟土地基深厚，樁基施工時(shí)應(yīng)注意護(hù)筒口的標(biāo)高寧高勿低、保證護(hù)筒埋設(shè)深度不小于5m、泥漿比重應(yīng)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(zhì)量必須確?？煽?，要求鉆孔樁應(yīng)比設(shè)計(jì)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(hù)筒可作為永久護(hù)筒。

(4)對于軟土地基上修建有水平推力的上承式拱橋計(jì)算模擬分析時(shí)，考慮臺背土壓力的作用的模擬，對全橋計(jì)算結(jié)果有一定的影響，主要是考慮土的作用后全橋結(jié)構(gòu)變?nèi)幔Ｍ疚膶窈笤撏愋蜆蛄旱脑O(shè)計(jì)和建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。