大跨徑箱型拱橋設(shè)計(jì)技術(shù)探析

徐建華

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

1 拱橋設(shè)計(jì)組成

主拱圈是拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)，它承受橋上的全部荷載，并將荷載傳遞至橋墩臺及基礎(chǔ)。由于主拱圈是曲線形，—般情況下車輛都無法直接在弧面上行走，所以在橋面與主拱圈之間需要有傳遞荷載的構(gòu)件或填充物，以確保車輛能夠在平順的橋道上行駛。橋面系與主拱圈之間這些傳力構(gòu)件或填充物統(tǒng)稱為拱上結(jié)構(gòu)或拱上建筑。拱橋的下部結(jié)構(gòu)（橋墩臺）起著支承橋跨結(jié)構(gòu)的作用并將橋跨結(jié)構(gòu)的荷載傳至基礎(chǔ)與地基。圖1所示的為中孔拱橋，因此只設(shè)置了橋臺，橋臺還起到連接拱橋與兩岸路堤連接的作用，使路橋形成一個(gè)協(xié)調(diào)的整體。

圖1 實(shí)腹式拱橋

2 拱橋設(shè)計(jì)

2.1 橋型選取

拱橋的選型多樣，即使同一個(gè)橋址也可選取不同形式的橋型，但應(yīng)當(dāng)結(jié)合橋梁的使用要求、長遠(yuǎn)發(fā)展情況、設(shè)計(jì)與施工條件等綜合考慮確定橋型。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于橋梁跨徑在100m以內(nèi)的山區(qū)公路橋梁，當(dāng)橋梁附近含有豐富的石料時(shí)，則可適宜考慮選取石拱橋，這樣可以有效地節(jié)省工程造價(jià)，同時(shí)方便施工。對于橋梁跨徑在80～100m的跨河橋，如無法搭設(shè)支架施工時(shí)，可采用鋼筋混凝土箱板拱或箱肋拱。目前箱板拱已經(jīng)具備了設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)成熟、構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，但材料用量比箱肋拱大。

2.2 橋梁總體布置

2.2.1 合理地定取橋梁全長以及拱橋的分孔

橋梁的長度必須有效地確保橋下具有足夠的排洪面積，以能安全渲泄設(shè)計(jì)洪水流量，并使河床不致遭受較大的沖刷，同時(shí)應(yīng)根據(jù)河床允許沖刷的程度，適當(dāng)?shù)乜s短橋梁長度以有效地節(jié)省工程整體造價(jià)。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)水力水文計(jì)算以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，綜合考慮以確定兩岸橋臺臺口之間的總長度，再根據(jù)縱、橫、平三個(gè)方向綜合考慮橋梁與兩頭路線的連接、橋臺的施工以及地質(zhì)條件而確定橋臺的位置、形式以及相應(yīng)的尺寸。

2.2.2 分孔設(shè)計(jì)

分孔是拱橋設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對于通航河流在確定其孔數(shù)和跨徑時(shí)應(yīng)根據(jù)通航孔和非通航孔分別考慮。通航孔的路徑和通航凈空高度應(yīng)滿足航道等級規(guī)定的要求，并與航道部門協(xié)商共向確定。通航孔應(yīng)設(shè)計(jì)在常水位時(shí)河床最深處或航行最方便的河域。對于航道可能變遷的河流，必須設(shè)置幾個(gè)通航孔，以有效地確保在主流位置變化后也能滿足通航要求。非通航孔或通航不合理的則根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則分孔，以使橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的總造價(jià)最低。同時(shí)應(yīng)保證各孔凈跨徑之和滿足設(shè)計(jì)洪水流量安全通過的要求。

分孔時(shí)還應(yīng)考慮施工的方便以及平戰(zhàn)結(jié)合的要求。通常全橋適宜采用等跨或分組等跨的分孔方式，并盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑以有助于施工方便，又能改善下部結(jié)構(gòu)的受力。分孔時(shí)需考慮全橋的造型。

2.3 拱橋的設(shè)計(jì)標(biāo)高和矢跨比的確定

拱橋的設(shè)計(jì)標(biāo)高有四個(gè)，即橋面標(biāo)高、拱橋底面標(biāo)高、起拱線標(biāo)高和基礎(chǔ)底面標(biāo)高（見圖2）。合理地確定這幾個(gè)標(biāo)高是拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的重要問題。

圖2 拱橋的設(shè)計(jì)標(biāo)高

拱橋的橋面標(biāo)高一方面要考慮縱斷面設(shè)計(jì)要求，另外還要保證橋下凈空能滿足泄洪以及通航的要求。橋面標(biāo)高反映了建橋的高度，相同縱坡條件下，橋高會使兩岸接線工程量顯著增加，橋梁的總造價(jià)提高。而橋面標(biāo)高也不能設(shè)計(jì)過低，否則會影響通航和安全渲泄洪水。工程實(shí)踐表明，對于山區(qū)河流下的拱橋，由于兩岸公路路線的位置較高，橋面的標(biāo)高應(yīng)當(dāng)由兩岸線路的縱斷面設(shè)計(jì)控制。對于跨越平原區(qū)河流的拱橋，橋面的最低標(biāo)高一般由橋下通航及排洪要求控制。對于無鉸拱橋，拱腳可以設(shè)在設(shè)計(jì)洪水位以下，但淹沒深度不應(yīng)超過凈矢高的2／3，并且拱頂?shù)酌娑紤?yīng)高出設(shè)計(jì)洪水位1.0m。

橋面標(biāo)高確定后，用橋面標(biāo)高減去拱頂處的建筑高度，就可得到拱頂?shù)酌娴臉?biāo)高。擬定起拱線標(biāo)高時(shí)，為減小墩臺基礎(chǔ)底面的彎矩以節(jié)省下部結(jié)構(gòu)的圬工用量，一般適宜選取低拱腳的設(shè)計(jì)方案。但是對于有鉸拱橋，拱腳需高出設(shè)計(jì)洪水位至少0.25m。為防止冰害，不論無鉸拱橋還是有鉸拱橋，拱腳均應(yīng)高出最高流冰水位至少0.25m。

3 上承式拱橋的構(gòu)造

對于當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的上承式拱橋，其設(shè)計(jì)所采用的主拱圈截面形式主要包含板拱、箱形肋拱、板肋拱、雙曲拱以及肋拱等。鑒于拱橋構(gòu)造設(shè)計(jì)的重要性，下文將結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)拱橋構(gòu)造設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)。

3.1 合理地確定出肋拱的數(shù)目及其間距

對于肋拱的數(shù)目和間距應(yīng)當(dāng)結(jié)合橋梁寬度、材料性能、承受荷載情況以及施工條件來綜合確定。從構(gòu)造簡化上考慮，由于目前大多數(shù)采用吊裝形式施工，為此肋拱的數(shù)目適宜采取少肋形式。設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，橋梁寬度在20m以內(nèi)者適宜采取單幅雙肋拱形式；對于橋?qū)捲?0m以上時(shí)，則適宜采用分離的雙幅雙肋拱，以防止由于肋中距增大而造成肋間橫系梁、拱上結(jié)構(gòu)橫向跨度與尺寸增大太多。同時(shí)為了有效地確保肋拱的橫向整體穩(wěn)定性，對于上下游肋拱最外緣的間距一般不宜小于跨徑的1／15。

3.2 箱形肋拱的尺寸確定

肋拱尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)拱圈的受力情況而確定，初步擬定肋高時(shí)，可根據(jù)跨徑的1／70～1／50來確定，肋寬則取肋高的1～2倍。對于采用單箱肋設(shè)計(jì)的肋拱，其肋拱尺寸不但要滿足使用階段的受力要求，同時(shí)還應(yīng)滿足肋拱在施工中出現(xiàn)的吊裝、懸掛等的穩(wěn)定性要求。

3.3 箱形板拱鋼筋布置

由于大跨徑箱形板拱橋的主拱圈在運(yùn)營階段通常承受壓應(yīng)力控制，拉應(yīng)力一般較少，因此對于主拱圈的設(shè)計(jì)可采用素混凝土，但應(yīng)當(dāng)配置構(gòu)造鋼筋，同時(shí)配置箱肋吊裝過程中的受力鋼筋。對于閉口型箱肋，通?？膳渲庙敯搴偷装迨芰︿摻?；對于開口型箱肋，則可把鋼筋布置在箱壁上緣和底板上。鋼筋數(shù)量應(yīng)當(dāng)根據(jù)箱肋段在吊裝以及懸掛過程中的受力情況計(jì)算確定。對于成拱后此部分鋼筋，如達(dá)到最小配筋率要求，則在拱的驗(yàn)算中可以將其計(jì)入。沿箱壁的高度方向應(yīng)布置分布鋼筋，其間距不大于200mm。在頂、底板及腹板上沿拱軸方向一定間距應(yīng)分別布置橫向及徑向鋼筋，同時(shí)應(yīng)當(dāng)對橫向、徑內(nèi)鋼筋采取有效連接。在對鋼筋混凝土拱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這時(shí)主拱圈截面的縱向受力鋼筋應(yīng)當(dāng)滿足使用階段的受力要求，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)確保拱圈吊裝時(shí)的受力需要。

3.4 橫系梁設(shè)計(jì)

從受力角度來分析，對于箱型肋拱中的橫系梁，其可以有效地提高拱橋橫向穩(wěn)定性，同時(shí)還可以分擔(dān)橫向荷載，顯然對于橫系梁的設(shè)計(jì)應(yīng)確保其有足夠的剛度以及承載力要求，與肋拱之間的連接應(yīng)當(dāng)采取剛性連接。從肋拱的橫向穩(wěn)定性以及構(gòu)造要求角度考慮，橫系梁尺寸應(yīng)當(dāng)滿足這兩點(diǎn)要求，結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對于一般橫系梁高度可采取與肋拱高度相同原則，短邊尺寸可以取其長度的1／15。對于箱型截面的橫系梁則要求其壁厚不應(yīng)小于100mm。在鋼筋構(gòu)造配置方面，則要求橫系梁四周應(yīng)配置直徑大于16mm鋼筋。橫系梁與肋拱的連接可以采取預(yù)埋鋼板焊接連接。同時(shí)為了有效地保證橫系梁與肋拱剛性連接，應(yīng)當(dāng)采取濕接頭，分別在肋拱側(cè)面與橫系梁端頭預(yù)留連接鋼筋，橫系梁安裝完成后則焊接鋼筋并現(xiàn)澆接縫混凝土，接縫寬度可采用300mm。

4 結(jié)語

拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在橋位選定，同時(shí)經(jīng)過水文計(jì)算后進(jìn)行。一個(gè)好的橋梁設(shè)計(jì)往往就體現(xiàn)在有一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足適用、經(jīng)濟(jì)、安全以及美觀的原則。

[1]鄭達(dá)人.肋拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探討[J].東北公路，2010，（15）：118-119.

[2]胡肖強(qiáng).下承式鋼管砼拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，（1）：31-33.

[3]習(xí)勝明.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算的研究與應(yīng)用[J].陜西建筑，2011，（9）：11-15.