拱橋設(shè)計(jì)總體布置若干問題探討

崔惠德

（吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路勘察設(shè)計(jì)院，吉林 長春130012）

1 概述

拱橋是橋梁工程中使用廣泛、歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)類型。我國的拱橋不僅數(shù)量眾多、橋型豐富，而且保持著石拱橋、鋼拱橋、鋼筋混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋跨徑的世界紀(jì)錄。目前，世界上最大跨度的石拱橋是我國山西晉城丹河大橋，主跨146 m；世界上最大跨徑的鋼筋混凝土拱橋是我國萬縣長江大橋，主跨420 m;世界上最大跨徑的混凝土桁架拱橋是我國貴州江界河大橋，主跨330 m；世界上最大跨徑的鋼拱橋是我國上海盧浦大橋，中承式鋼箱結(jié)構(gòu)，主跨550 m。拱橋與梁橋的區(qū)別，不僅在于外形不同，更重要的是兩者受力性能有差別。由力學(xué)知識(shí)可以知道，梁式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，支撐處僅僅產(chǎn)生豎向支撐反力，而拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，支撐處不僅產(chǎn)生豎向反力，而且還產(chǎn)生水平推力。正是這個(gè)水平推力的存在，使得拱的彎矩將比相同跨徑的梁的彎矩小很多，整個(gè)拱主要承受壓力。這樣，拱橋不僅可以利用鋼、鋼筋混凝土等材料來修建，而且還可以根據(jù)拱的這個(gè)受力特點(diǎn)，充分利用抗壓性能好而抗拉性能較差的圬工材料，石料、混凝土、磚等來修建。

2 拱橋長度及分孔的確定

拱橋總體布置的主要包括：擬定結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)形式；擬定橋梁的長度、跨徑、孔數(shù)；拱的主要的幾何尺寸；橋梁的高度；墩臺(tái)及基礎(chǔ)形式和埋置深度；橋上及橋頭引道的縱坡等。

2.1 經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

當(dāng)通過水文水力計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面的比較，確定兩岸橋臺(tái)之間的總長度之后，在縱向、平面和橫向三個(gè)方面綜合考慮橋梁與兩端路線的銜接，就可以確定橋臺(tái)的具體位置和長度，從而確定橋梁的全長。在橋梁的全長確定后，根據(jù)橋址處的地形、地質(zhì)等情況，并結(jié)合選用的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形式、施工條件和環(huán)境要求等，可以進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)的拱橋是單孔橋還是多孔橋。如果選用多孔拱橋，如何進(jìn)行分孔和孔尺寸，是總體布置中的一個(gè)關(guān)鍵問題。若需要跨越通航河流，在確定孔數(shù)與跨徑時(shí)，一般分為通航孔和不通航孔兩部分。分孔時(shí)，除應(yīng)滿足設(shè)計(jì)洪水通過的需要外，還應(yīng)確定一孔或兩孔作為通航孔。通航孔跨徑和通航凈空的大小應(yīng)滿足航道等級(jí)規(guī)定的要求，并與航道部門協(xié)商。通航孔的位置多布置在常水位時(shí)的河床最深處或航行最方便的地方。對(duì)于航道可能發(fā)生變遷的河道，必須設(shè)置幾個(gè)通航的橋跨。對(duì)于不通航孔或非通航河段，橋孔劃分可按經(jīng)濟(jì)原則考慮，盡量使上下結(jié)構(gòu)的總造價(jià)最低。在進(jìn)行分孔設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)為了避開深水區(qū)或不良的地質(zhì)地段，可能將跨徑加大或減小。

2.2 特殊情況設(shè)計(jì)

在水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工困難的地方，為減少基礎(chǔ)的工程量，可考慮采用較大跨徑；對(duì)跨越高山峽谷、水流湍急的河道，建造大跨徑橋梁更為經(jīng)濟(jì)合理。在進(jìn)行分孔設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮到施工的方便和安全。通常，全橋宜采用等跨或分組等跨的分孔方案，并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑，不僅便于施工和修復(fù)，而且能改善下部結(jié)構(gòu)的受力和節(jié)省材料。另外，在進(jìn)行分孔設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到橋型的美觀和周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。

3 拱橋設(shè)計(jì)高程和矢跨比的確定

拱橋的控制高程主要有4個(gè)。即：橋面高程，這個(gè)高程確定得是否合理十分重要；另外，拱頂?shù)酌娓叱獭⑵鸸熬€高程和基礎(chǔ)底面高程也是拱橋總體布置中的重要問題。橋面高程一般由兩岸線路的縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。對(duì)跨越平原地區(qū)河流的拱橋，其橋面最小高度一般由橋下凈空所控制，并且還需要滿足排泄設(shè)計(jì)洪水流量或不同航道等級(jí)所規(guī)定的橋下凈空界限的要求。

3.1 防漂浮物的設(shè)計(jì)

為了保證漂浮物的順利通過，在任何情況下，拱頂?shù)酌鎽?yīng)高出設(shè)計(jì)洪水位1.0 m。對(duì)于有淤積的河床，橋下凈空應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加高。對(duì)于通航的河流，通航孔的最小橋面高度，除應(yīng)滿足以上要求外，還應(yīng)滿足不同航道等級(jí)所規(guī)定的橋下凈空界限的要求。設(shè)計(jì)通航水位一般是按一定的設(shè)計(jì)洪水頻率進(jìn)行計(jì)算，并與航運(yùn)部門具體協(xié)商決定。當(dāng)洪水中帶有大量漂浮物，如果拱上建筑又采用立柱時(shí)，宜將起拱線高程適當(dāng)提高，使主拱圈不要淹沒過多，以防止漂浮物對(duì)立柱的撞擊或掛留阻水。有時(shí)為了美觀的要求，應(yīng)避免就地起拱，最好使墩臺(tái)露出地面一定的高度。起拱線高程主要應(yīng)依據(jù)矢跨比的要求確定。當(dāng)橋面的高程確定之后，由橋面高程減去拱頂處的建筑高度，就可以得到拱頂?shù)酌娴母叱?。在擬定起拱線高程時(shí)，為了減小墩臺(tái)基礎(chǔ)底面的彎矩，節(jié)省墩臺(tái)的工程量，一般宜選擇低拱腳的設(shè)計(jì)方案。但對(duì)于有鉸拱橋，拱腳需要高出設(shè)計(jì)洪水位以上0.25 m。為了防止產(chǎn)生冰害，對(duì)有鉸拱或無鉸拱，拱腳均應(yīng)高出最高流冰面0.25 m。

3.2 拱圈設(shè)計(jì)

拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算表明，永久作用的水平推力H與垂直反力V之比值，隨著矢跨比的減小而增大。當(dāng)矢跨比減小時(shí)，拱的水平推力增大，反之則水平推力減小。水平推力大，相應(yīng)地在拱圈內(nèi)產(chǎn)生的軸向力也大，對(duì)拱圈自身的受力狀況是有利的，但對(duì)墩臺(tái)基礎(chǔ)是不利的。主拱圈的矢跨比是拱橋設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一。它不但影響主拱圈內(nèi)力的選擇，還影響拱橋的構(gòu)造型式和施工方法的選擇，應(yīng)從上、下部結(jié)構(gòu)的受力，通航、泄洪、環(huán)保和美學(xué)等綜合因素考慮確定矢跨比。當(dāng)拱圈受力后因其彈性壓縮，或因溫度變化、混凝土收縮，或因墩臺(tái)位移等原因，都會(huì)在無鉸拱的拱圈內(nèi)產(chǎn)生附加的內(nèi)力，因而拱的矢跨比越小，產(chǎn)生的附加內(nèi)力也越大。但當(dāng)拱的矢跨比過大時(shí)，也會(huì)使拱腳區(qū)段過陡，給拱圈的砌筑或混凝土的澆筑帶來困難。另外，拱橋的外形是否美觀，與周圍景物能否協(xié)調(diào)，也與拱的矢跨比有很大關(guān)系，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，橋的矢跨比大小應(yīng)經(jīng)過綜合比較后進(jìn)行選定。一般將矢跨比大于或等于1/5的拱稱為陡拱，矢跨比小于1/5的拱稱為坦拱。在通常情況下，對(duì)于磚石、混凝土板拱橋及雙曲拱橋，矢跨比一般為1/6～1/4，不宜小于1/8；箱形拱橋的矢跨比一般為1/8～1/6；上述圬工拱橋的矢跨比一般都不宜小于1/10。鋼筋混凝土拱橋的矢跨比一般為1/10～1/6，不宜小于1/12。

4 不等跨連續(xù)拱橋的設(shè)計(jì)措施

為了方便拱橋的設(shè)計(jì)、施工和管理，多孔連續(xù)拱橋最好選用等跨或分組等跨的分孔方案。在受地形、地質(zhì)和通航等條件的限制，或引橋長度很長，考慮與橋面縱坡協(xié)調(diào)一致時(shí)，或?qū)蛄旱拿烙^有特殊要求時(shí)，可以考慮采用不等跨的分孔方式。不等跨拱橋，由于相鄰孔的永久作用推力不相等，使橋墩和基礎(chǔ)增加了永久作用的不平衡推力。在采用柔性墩的多孔連續(xù)拱橋中，還需考慮永久作用不平衡推力產(chǎn)生的連拱作用，使計(jì)算和構(gòu)造復(fù)雜。為了減小這個(gè)不平衡推力，改善橋墩和基礎(chǔ)的受力狀況，節(jié)省建筑材料和造價(jià)，可以采用以下幾種技術(shù)措施。

4.1 不同的矢跨比

利用矢跨比與水平推力成反比的關(guān)系，在相鄰的兩孔中，大跨徑宜采用較陡的拱，小跨徑宜采用較坦的拱（矢跨比較?。?，使兩相鄰孔在永久作用下的不平衡推力盡量減小。

4.2 不同拱腳高程

由于采用了不同的矢跨比，致使兩相鄰孔的拱腳高程不在同一水平線上。因?yàn)榇罂鐝娇椎氖缚绫却?，拱腳高程降低，減小了拱腳水平推力對(duì)基底的力臂，這樣可使大跨與小跨的永久作用下產(chǎn)生的水平推力對(duì)基底產(chǎn)生的彎矩得到平衡。

4.3 調(diào)整拱上永久作用采用不同拱跨結(jié)構(gòu)

當(dāng)必須使相鄰孔的拱腳設(shè)置在相同或相接近的高程上時(shí)，也可以采用調(diào)整拱上永久作用（即建筑質(zhì)量）的措施，來減小相鄰孔間的不平衡推力。大跨徑拱可用輕質(zhì)的拱上填料或采用空腹式拱上建筑，小跨徑拱采用重質(zhì)的拱上填料或采用實(shí)腹式拱上建筑，通過增加小跨徑結(jié)構(gòu)重力來增大它的水平推力，使相鄰孔產(chǎn)生的推力基本平衡。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般是小跨徑采用板拱結(jié)構(gòu)，大跨徑采用分離式肋拱結(jié)構(gòu)，以減輕大跨徑的結(jié)構(gòu)重力，達(dá)到減小水平推力的作用。有時(shí)為了進(jìn)一步減小大跨徑拱的水平推力，還可以加大大跨徑拱肋的矢高，設(shè)計(jì)為中承式肋拱。在具體進(jìn)行拱橋的設(shè)計(jì)時(shí)，也可以將以上幾種技術(shù)措施同時(shí)采用。如果仍不能達(dá)到完全平衡推力的目的，則高設(shè)計(jì)成體型不對(duì)稱的或加大的橋墩和基礎(chǔ)尺寸來加以解決。

5 拱橋拱軸線的布設(shè)

拱軸線的選擇是拱橋設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。選擇拱軸線時(shí)，就是要盡可以降低由于荷載作用產(chǎn)生的拱圈內(nèi)彎矩?cái)?shù)值。最理想的拱軸線是與拱上各種荷載作用下的壓力線相吻合，此時(shí)拱圈截面只承受軸向壓力，而無彎矩作用，從而能充分利用圬工材料的抗壓性能。在實(shí)際中是不可能獲得這樣理想的拱軸線。拱橋除受永久作用外，拱圈還要受到汽車、人群荷載等可變作用，以及溫度變化和材料收縮等因素的影響。當(dāng)永久作用下的壓力線與拱軸線吻合時(shí)，在可變作用下就不會(huì)再吻合。公路拱橋的結(jié)構(gòu)重力占全部作用的比重較大，如一座30 m跨徑的雙車道公路拱橋，可變作用大約只占結(jié)構(gòu)重力的20%，隨著拱橋跨徑的增大，結(jié)構(gòu)重力所占比例還將增大。因此，以結(jié)構(gòu)重力作用下的壓力線作為設(shè)計(jì)拱軸線，從理論和實(shí)際上是比較適宜的。但即使僅在結(jié)構(gòu)重力作用下，拱圈本身的軸線還將因材料的彈性壓縮而變形，致使拱圈的實(shí)際壓力線與原設(shè)計(jì)拱軸線，仍會(huì)發(fā)生一定的偏離。因此，在進(jìn)行拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇一條能夠使結(jié)構(gòu)重力作用下的截面彎矩為零的拱軸線，是不現(xiàn)實(shí)和不可能的。在一般情況下，拱橋設(shè)計(jì)中所選擇的拱軸線應(yīng)盡量減小拱圈截面的彎矩，使主拱圈在計(jì)入彈性壓縮、均勻溫降、混凝土收縮等影響下，各主要截面的應(yīng)力相差不大，且最大限度地減小截面的拉應(yīng)力，最好不出現(xiàn)拉應(yīng)力；對(duì)于無支架施工的拱橋，應(yīng)能滿足各個(gè)施工階段的要求，并盡可能少用或不用臨時(shí)性施工措施；線型美觀、環(huán)境協(xié)調(diào)、便于施工。

5.1 圓弧線

在均布徑向荷載作用下，拱的合理拱軸線為一圓弧線。這類拱橋線形比較簡單，施工非常方便。但在一般情況下，圓弧線與結(jié)構(gòu)自重壓力線偏差比較大，使拱圈各截面受力不夠均勻，因此圓弧線常用于20 m以下的小跨徑拱橋。對(duì)于較大跨徑的預(yù)制裝配式鋼筋混凝土拱橋，有時(shí)為了簡化施工，也可以采用圓弧形拱軸線。懸鏈線實(shí)腹式拱橋的永久作用集度，可以看作為從拱頂向拱腳是均勻增加的，這種荷載分布圖式的拱圈壓力線是一條懸鏈線，實(shí)腹式拱橋可以采用懸鏈線作為拱軸線。在結(jié)構(gòu)自重的作用下，當(dāng)不計(jì)拱圈結(jié)構(gòu)自重因彈性壓縮產(chǎn)生的影響時(shí)，拱圈截面只承受軸力而無彎矩。

5.2 拋物線

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，在豎向均布荷載的作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。對(duì)于結(jié)構(gòu)自重作用集度比較接近均布的拱橋，一般可以采用二次拋物線作為拱軸線。鋼筋混凝土桁架拱和剛架拱等輕型拱橋，由于結(jié)構(gòu)自重作用分布比較均勻，往往采用二次拋物線作為拱軸線。在某些大跨徑的拱橋中，由于拱上建筑布置的特殊性，為了使拱軸線盡可能與結(jié)構(gòu)自重作用的壓力線相吻合，也可以采用高次拋物線作為拱軸線。

6 結(jié)語

拱上建筑的形式及其布置，對(duì)于合理選擇拱軸線形有著密切的關(guān)系。在一般情況下，小跨徑拱橋可以采用實(shí)腹式圓弧拱或?qū)嵏故綉益溇€拱；大、中跨徑拱橋可以采用空腹式懸鏈線拱；輕型拱橋或矢跨比較小的大跨徑拱橋可以采用拋物線拱。

[1]趙林強(qiáng).杭州市錢江四橋總體設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪,2004，（2）:6-8.

[2]金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)與施工[J].上海公路,2006，（2）:1-7.

[3]盧彭真.永嘉越江大橋工程設(shè)計(jì)和施工方案[J].浙江交通科技,2000，（3）:22-25.