大跨徑拱橋承載力設計要點探究

姜明坤

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 工程概況

1.1 項目地理位置及地質情況

橋區地處貴州高原北部山區向四川盆地過渡的斜坡地帶，位于遵義縣石板鎮東部5km處，受構造、侵蝕、剝蝕作用較強烈，橋區地勢起伏較大。該橋橫跨水泊渡水庫，橋區附近海拔為803.20～903.30m，相對高差為100.10m，橋軸線地面高程為830.20～900.00m，相對高差為69.80m，兩橋臺地形較陡，管橋起點岸覆蓋層較厚，終點岸基巖出露較好。橋區地貌類型屬侵蝕溶蝕型低中山河谷地貌。橋位區屬長江水系烏江流域之三級支流下溪河，庫區常年期水位高程為844.54m，庫蓄量最高水位高程為848.0m。

橋位區內地層主要由上覆第四系殘坡積層（Qel＋dl）碎石土、亞粘土及下伏基巖三疊系下統夜郎組玉龍山段（T1y3）紫色泥質粉砂巖、灰黃色泥灰巖和九級灘段（T1y2）灰巖組成。橋位區未發現斷層通過。

1.2 技術標準

橋面寬度：10.0m。橋梁設計荷載：靜荷載：水重＋管重＋管座重；動荷載：水錘效應產生的振動力。設計洪水頻率為1／100。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001），橋位地震動反應譜特征周期為0.35s，地震動峰值加速度為0.05g，橋區地震基本烈度為VI度。本橋設計提高一級設防，設計基準期為100年。

2 橋型方案擬定

根據地形、地貌及地質情況，最初設計方案為7×30m預應力混凝土T梁、5×40m預應力混凝土T梁及主跨110m鋼筋混凝土箱拱。當采用預應力混凝土T梁時，有幾個橋墩落在水庫中，雖然工程造價相對較低，但水庫最低水位時最大水深為23.5m，施工極其困難，且容易污染水體，加上在極度干旱的情況下放水施工是不現實的。因此，最終橋型方案確定為：上部構造：5×10m（預制吊裝鋼筋混凝土簡支空心板）＋1×110m（鋼筋混凝土箱型拱）＋4×10m（預制吊裝鋼筋混凝土簡支空心板）。主跨110m鋼筋混凝土箱拱，拱圈高度為1.9m，矢跨比L0／F0＝1／6。經計算，拱軸系數m＝1.756，單箱三室，采用懸拼拱架施工，引孔也采用10m預制吊裝鋼筋混凝土簡支空心板。下部構造：橋墩墩身采用現澆鋼筋混凝土三柱式圓形墩，基礎分別采用擴大基礎及鉆孔樁基礎。橋臺采用輕型臺及重力式橋臺，基礎采用樁基及擴大基礎，拱座基礎采用擴大基礎。由于本橋主拱圈大部分處于常洪水位變動范圍內，為了提高拱圈的耐久性，將對整個拱圈混凝土摻入改性聚丙烯纖維，摻入量可取1.0kg／m3。拱圈要考慮防滲措施，本橋抗滲等級為W10，需加入的材料應按相關規定取用，摻入量應通過配合比試驗確定。該橋橋形結構如圖1所示。

3 荷載分析

橋面全寬10m，共有4根水管從橋上通過，直徑從左到右依次為1.0m、1.4m、1.8m、0.6m，縱向每10m設一管座。管座重量與水管自重為46.92kN／m，當管內注滿水時，總重量為98.44kN／m（靜荷載）。水管通過橋梁后，自橋尾起向上通過坡度為25°的山坡，到達山頂高位出水池，高差為75.2m，水泵位于橋梁起點下方，高差為54.7m。

在水利管道設計中，有一因素需要考慮，即“水錘效應”。電動水泵合電起動時，在極短的時間內，即可從靜止狀態加速到額定轉速，管道內的流量則從零增加到額定流量，由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性，所以，流量的急劇變化將在管道內引起壓強過高或過低的沖擊，出現“空化”現象，壓力的沖擊將使管壁受力而產生噪聲，猶如錘子敲擊管子一般，稱為“水錘效應”。水錘效應只和水本身的慣性有關系，和水泵沒有關系。對于支撐輸水管道的橋梁結構而言，水錘直接引起急劇變化的管道壓力可以看作自平衡內力，通過管座傳遞至橋梁結構的瞬時荷載可以忽略。但是水錘效應以機械波的形式傳遞，引發的周期性的管道振動對橋梁結構存在威脅，需結合流體力學相關理論進行進一步的動力分析，并判斷共振的可能性。

針對橋上平鋪水管，水錘對橋梁的影響應通過水流和管道的耦合動響來體現。相關文獻表明，在本橋設計采用的水管管徑、壁厚、管道敷設等條件下，水錘波固有頻率與橋梁結構的低階固有頻率相差較遠，二者不存在交叉，不會發生共振。但水錘效應引發的周期性的管道振動產生的附加力需要考慮，采用水錘效應擬靜力分析，水錘效應等效成大小為λqw（λ為水錘動力放大系數；qw為水體等效均布力），向下作用的均布荷載作用于全橋。參考溫州 《大門大橋過橋水管方案安全評價》，動力放大系數λ取1.5，計算得水錘效應振動產生的附加力為57.9kN／m。因此，本橋設計荷載為：管座重量＋水管自重＋水自重＋水錘效應振動產生的附加力＝156.34kN／m。

4 腹孔及引橋跨徑的選擇

過水管線原設計為每5m設一個管座，根據相關規范及本橋主孔跨徑，拱上腹孔孔跨設計為10m，上部構造采用鋼筋混凝土空心板較合適，按此設計，有一或兩個管座勢必落在橋面板跨徑之間。橋面板僅用于水管架設時施工車輛的通行和運營期間人員檢查維修使用，如此大的荷載置于橋面板跨徑之間，需要加強板的鋼筋。通過計算，若有一個管座置于橋面板中間或橋面板跨徑之間沒有放置管座，則需要增加1.95倍鋼筋，會造成較大的浪費。為了節約工程造價及消除水錘效應引發的周期性的管道振動對橋面板的長期影響，延長橋面板的使用壽命，與管線設計單位溝通后將管線管座間距調整為10m，管座直接放置在墩頂處。鑒于上述原因，根據地形、地質情況，將引橋跨徑也設計為10m，上部構造同樣采用鋼筋混凝土空心板，方便施工人員集中預制、吊裝。

5 主拱圈計算

大跨徑拱橋應驗算拱頂、1／4拱跨、3／8拱跨和拱腳四個截面，必要時應驗算1／8拱跨截面。為節省篇幅，本例只驗算拱頂、1／4拱跨和拱腳三個截面的內力。其余截面，除不計彈性壓縮的內力必須在影響線上直接布載求得以外，其步驟和1／4拱跨相同。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）第4.3.1條的規定，無鉸拱及雙鉸拱的計算可不考慮拱上建筑與主拱圈的聯合作用，即主拱圈裸拱受力，現采用橋梁博士3.03軟件進行分析計算（見圖2～圖6）。

經計算，所設計的主拱圈各項指標均滿足要求。

6 主拱圈施工方案

長期以來，拱橋都采用搭設滿堂支架進行拱圈施工，但在許多特定的自然環境下，例如橋梁位于很高的深山狹谷中，在水位深、水流急及有通航要求的河流中，搭設滿堂拱架會遇到很大的困難甚至完全不可能。本橋由于處于水庫中，因此不可能采用滿堂支架施工，最可靠的方案為懸拼拱架施工，即以貝雷架拼裝體系為主要受力結構，利用鋼絲繩做扣索進行輔助受力的施工方法，在不能搭設滿堂拱架的地方，它是一種非常實用的施工方法。拱架采用空間有限元程序MIDAS／Civil進行空間整體分析。

7 結語

拱橋外形美觀，其形狀能反應出橋的受力狀況。拱橋不是簡單地架在基礎之上，而是不斷地把基礎向外推，就好像把一個拱形梁兩腳著地放著，然后在拱頂加載，這個梁就會向兩端伸展變平。為了防止兩邊拱腳外移，要在兩邊設置重物來阻擋。有了這些橋臺，拱橋的承受能力要比單純把曲線形構件拼成一跨的承受能力大的多，這就是拱橋的原理。拱橋設計在橋梁建設應用中十分重要，也是較為復雜的，需結合土力學、結構力學、巖土力學等基礎力學知識，根據橋梁專業特點來進行設計并解決設計中遇到的各種問題。它對設計人員各方面素質要求較高，在掌握土木工程專業知識的基礎上，還要對地質學等知識熟悉了解。

[1]莊小將，馬芹剛，王豐平，等.大門大橋引橋過橋管線作用效應研究[J].橋梁建設，2011，（6）：50-53.

[2]馬芹綱，陳方東，莊小將，等.大跨度斜拉橋過橋水管振動關鍵問題研究[J].世界橋梁,2009，（4）：50-53.

[3]姚正蘭，王君軍.遵義市2009／2010年秋冬春連旱事實及形成原因初析[J].地球科學進展，2011，（10）：1109-1115.