拱橋設計總體布置若干問題探討

崔惠德

（吉林交通職業技術學院公路勘察設計院，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構類型。我國的拱橋不僅數量眾多、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，中承式鋼箱結構，主跨550 m。拱橋與梁橋的區別，不僅在于外形不同，更重要的是兩者受力性能有差別。由力學知識可以知道，梁式結構在豎向荷載作用下，支撐處僅僅產生豎向支撐反力，而拱式結構在豎向荷載作用下，支撐處不僅產生豎向反力，而且還產生水平推力。正是這個水平推力的存在，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，而且還可以根據拱的這個受力特點，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：擬定結構體系及結構形式；擬定橋梁的長度、跨徑、孔數；拱的主要的幾何尺寸；橋梁的高度；墩臺及基礎形式和埋置深度；橋上及橋頭引道的縱坡等。

2.1 經濟技術比較

當通過水文水力計算和技術經濟等方面的比較，確定兩岸橋臺之間的總長度之后，在縱向、平面和橫向三個方面綜合考慮橋梁與兩端路線的銜接，就可以確定橋臺的具體位置和長度，從而確定橋梁的全長。在橋梁的全長確定后，根據橋址處的地形、地質等情況，并結合選用的結構體系、結構形式、施工條件和環境要求等，可以進一步確定設計的拱橋是單孔橋還是多孔橋。如果選用多孔拱橋，如何進行分孔和孔尺寸，是總體布置中的一個關鍵問題。若需要跨越通航河流，在確定孔數與跨徑時，一般分為通航孔和不通航孔兩部分。分孔時，除應滿足設計洪水通過的需要外，還應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滿足航道等級規定的要求，并與航道部門協商。通航孔的位置多布置在常水位時的河床最深處或航行最方便的地方。對于航道可能發生變遷的河道，必須設置幾個通航的橋跨。對于不通航孔或非通航河段，橋孔劃分可按經濟原則考慮，盡量使上下結構的總造價最低。在進行分孔設計時，有時為了避開深水區或不良的地質地段，可能將跨徑加大或減小。

2.2 特殊情況設計

在水下基礎結構復雜、施工困難的地方，為減少基礎的工程量，可考慮采用較大跨徑；對跨越高山峽谷、水流湍急的河道，建造大跨徑橋梁更為經濟合理。在進行分孔設計時，還應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，并盡量采用標準跨徑，不僅便于施工和修復，而且能改善下部結構的受力和節省材料。另外，在進行分孔設計時，還要考慮到橋型的美觀和周圍環境的協調。

3 拱橋設計高程和矢跨比的確定

拱橋的控制高程主要有4個。即：橋面高程，這個高程確定得是否合理十分重要；另外，拱頂底面高程、起拱線高程和基礎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計進行控制。對跨越平原地區河流的拱橋，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計洪水流量或不同航道等級所規定的橋下凈空界限的要求。

3.1 防漂浮物的設計

為了保證漂浮物的順利通過，在任何情況下，拱頂底面應高出設計洪水位1.0 m。對于有淤積的河床，橋下凈空應當適當加高。對于通航的河流，通航孔的最小橋面高度，除應滿足以上要求外，還應滿足不同航道等級所規定的橋下凈空界限的要求。設計通航水位一般是按一定的設計洪水頻率進行計算，并與航運部門具體協商決定。當洪水中帶有大量漂浮物，如果拱上建筑又采用立柱時，宜將起拱線高程適當提高，使主拱圈不要淹沒過多，以防止漂浮物對立柱的撞擊或掛留阻水。有時為了美觀的要求，應避免就地起拱，最好使墩臺露出地面一定的高度。起拱線高程主要應依據矢跨比的要求確定。當橋面的高程確定之后，由橋面高程減去拱頂處的建筑高度，就可以得到拱頂底面的高程。在擬定起拱線高程時，為了減小墩臺基礎底面的彎矩，節省墩臺的工程量，一般宜選擇低拱腳的設計方案。但對于有鉸拱橋，拱腳需要高出設計洪水位以上0.25 m。為了防止產生冰害，對有鉸拱或無鉸拱，拱腳均應高出最高流冰面0.25 m。

3.2 拱圈設計

拱橋設計計算表明，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。當矢跨比減小時，拱的水平推力增大，反之則水平推力減小。水平推力大，相應地在拱圈內產生的軸向力也大，對拱圈自身的受力狀況是有利的，但對墩臺基礎是不利的。主拱圈的矢跨比是拱橋設計中的主要參數之一。它不但影響主拱圈內力的選擇，還影響拱橋的構造型式和施工方法的選擇，應從上、下部結構的受力，通航、泄洪、環保和美學等綜合因素考慮確定矢跨比。當拱圈受力后因其彈性壓縮，或因溫度變化、混凝土收縮，或因墩臺位移等原因，都會在無鉸拱的拱圈內產生附加的內力，因而拱的矢跨比越小，產生的附加內力也越大。但當拱的矢跨比過大時，也會使拱腳區段過陡，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，與周圍景物能否協調，也與拱的矢跨比有很大關系，因此在進行設計時，橋的矢跨比大小應經過綜合比較后進行選定。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 不等跨連續拱橋的設計措施

為了方便拱橋的設計、施工和管理，多孔連續拱橋最好選用等跨或分組等跨的分孔方案。在受地形、地質和通航等條件的限制，或引橋長度很長，考慮與橋面縱坡協調一致時，或對橋梁的美觀有特殊要求時，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，使橋墩和基礎增加了永久作用的不平衡推力。在采用柔性墩的多孔連續拱橋中，還需考慮永久作用不平衡推力產生的連拱作用，使計算和構造復雜。為了減小這個不平衡推力，改善橋墩和基礎的受力狀況，節省建筑材料和造價，可以采用以下幾種技術措施。

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（矢跨比較小），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。因為大跨徑孔的矢跨比大，拱腳高程降低，減小了拱腳水平推力對基底的力臂，這樣可使大跨與小跨的永久作用下產生的水平推力對基底產生的彎矩得到平衡。

4.3 調整拱上永久作用采用不同拱跨結構

當必須使相鄰孔的拱腳設置在相同或相接近的高程上時，也可以采用調整拱上永久作用（即建筑質量）的措施，來減小相鄰孔間的不平衡推力。大跨徑拱可用輕質的拱上填料或采用空腹式拱上建筑，小跨徑拱采用重質的拱上填料或采用實腹式拱上建筑，通過增加小跨徑結構重力來增大它的水平推力，使相鄰孔產生的推力基本平衡。根據工程實踐經驗，一般是小跨徑采用板拱結構，大跨徑采用分離式肋拱結構，以減輕大跨徑的結構重力，達到減小水平推力的作用。有時為了進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，設計為中承式肋拱。在具體進行拱橋的設計時，也可以將以上幾種技術措施同時采用。如果仍不能達到完全平衡推力的目的，則高設計成體型不對稱的或加大的橋墩和基礎尺寸來加以解決。

5 拱橋拱軸線的布設

拱軸線的選擇是拱橋設計成敗的關鍵。選擇拱軸線時，就是要盡可以降低由于荷載作用產生的拱圈內彎矩數值。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。當永久作用下的壓力線與拱軸線吻合時，在可變作用下就不會再吻合。公路拱橋的結構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構重力的20%，隨著拱橋跨徑的增大，結構重力所占比例還將增大。因此，以結構重力作用下的壓力線作為設計拱軸線，從理論和實際上是比較適宜的。但即使僅在結構重力作用下，拱圈本身的軸線還將因材料的彈性壓縮而變形，致使拱圈的實際壓力線與原設計拱軸線，仍會發生一定的偏離。因此，在進行拱橋設計時，要選擇一條能夠使結構重力作用下的截面彎矩為零的拱軸線，是不現實和不可能的。在一般情況下，拱橋設計中所選擇的拱軸線應盡量減小拱圈截面的彎矩，使主拱圈在計入彈性壓縮、均勻溫降、混凝土收縮等影響下，各主要截面的應力相差不大，且最大限度地減小截面的拉應力，最好不出現拉應力；對于無支架施工的拱橋，應能滿足各個施工階段的要求，并盡可能少用或不用臨時性施工措施；線型美觀、環境協調、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，圓弧線與結構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。對于較大跨徑的預制裝配式鋼筋混凝土拱橋，有時為了簡化施工，也可以采用圓弧形拱軸線。懸鏈線實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，實腹式拱橋可以采用懸鏈線作為拱軸線。在結構自重的作用下，當不計拱圈結構自重因彈性壓縮產生的影響時，拱圈截面只承受軸力而無彎矩。

5.2 拋物線

由結構力學可知，在豎向均布荷載的作用下，拱的合理拱軸線是二次拋物線。對于結構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，由于結構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構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 結語

拱上建筑的形式及其布置，對于合理選擇拱軸線形有著密切的關系。在一般情況下，小跨徑拱橋可以采用實腹式圓弧拱或實腹式懸鏈線拱；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。

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