淺談大跨徑箱型拱橋的設計要點

趙麗麗

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一、拱橋設計組成

主拱圈是拱橋的主要承重結構，它承受橋上的全部荷載，并將荷載傳遞至橋墩臺及基礎。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件或填充物統(tǒng)稱為拱上結構或拱上建筑。拱橋的下部結構（橋墩臺）起著支承橋跨結構的作用并將橋跨結構的荷載傳至基礎與地基。

二、大跨徑箱型拱橋的設計要點

（一）橋長及分孔設計

1.橋長

拱橋設計應根據(jù)橋址地形、水文、地質等具體情況，進行技術、經濟、美觀等方面的比較，確定兩岸橋臺臺口之間的總長度，再考慮橋梁與兩端路堤的銜接及橋臺的施工等因素，確定橋臺的位置和長度，橋梁的全長便確定了。

2.分孔

分孔是拱橋設計中關鍵的環(huán)節(jié)，對于通航河流在確定其孔數(shù)和跨徑時應根據(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。通航孔應設計在常水位時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，必須設置幾個通航孔，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)經濟原則分孔，以使橋梁上、下部結構的總造價最低。同時應保證各孔凈跨徑之和滿足設計洪水流量安全通過的要求。

分孔時還應考慮施工的方便以及平戰(zhàn)結合的要求。通常全橋適宜采用等跨或分組等跨的分孔方式，并盡可能采用標準跨徑以有助于施工方便，又能改善下部結構的受力。分孔時需考慮全橋的造型。

（二）拱軸線形的設計

拱軸線的形狀直接影響主拱截面內力分布，合理的選擇拱軸線可以盡可能的降低由于荷載產生的彎矩值。最理想的拱軸線是與拱上各種荷載的壓力線一致，盡量減小拱軸截面的彎矩和剪力，使拱軸截面應力均勻，這樣的拱軸線為合理拱軸線。目前常使用的拱軸線形有圓曲線、拋物線及懸鏈線三種。

1.圓曲線

圓弧曲線是對應于同一深度的靜水壓力線，與實際的恒載壓力線有偏差，當矢跨比較小時，兩者偏離不大。該線形主要用于中小跨徑拱橋。其特點是施工方便，便于拱節(jié)段的預制安裝。

2.拋物線

如果拱上荷載為均布載，拱的合理軸線為二次拋物線。但大跨鋼筋混凝土拱橋其拱上構造往往并非均布載，為了使拱軸線與壓力軸線盡量吻合常常采用高次拋物線或以拋物線為基礎的擬合曲線。

3.懸鏈線

采用懸鏈線作為拱軸線的設計線形，使拱軸線與恒載壓力線在拱頂、1/4 跨和拱腳五個截面（大跨鋼筋混凝土拱橋在拱頂、3/8 跨、1/4跨、1/8 跨和拱腳九個截面）相重合。目前，懸鏈線是大跨鋼筋混凝土拱橋最普遍采用的線形。

（三）設計標高和矢跨比

1.設計標高

擬定起拱線高程時，為了減小墩臺基礎底面的彎矩，節(jié)省墩臺的圬工數(shù)量，一般宜選擇低拱腳的設計方案。但具體設計時，拱腳的位置可能會受到通航凈空、排洪、流水等條件限制。對于無鉸拱橋，可以將拱腳置于設計水位以下，但通常淹沒深度不得超過矢高的2/30 為了保證漂浮物能通過，在任何情況下，拱頂?shù)酌鎽叱鲈O計洪水位 1.0 m。對于有鉸拱橋，拱腳需高出設計洪水位以上 0.25 m。為了防止冰害，有鉸或無鉸拱拱腳均應高出最高流冰面 0.25 m。當洪水帶有大量漂浮物時，若拱上建筑采用立柱時，宜將起拱線高程提高，使主拱圈不要掩沒過多，以防漂浮物對立柱的撞擊或掛留。有時為了美觀的要求，應避免就地起拱，而應使墩臺露出地面一定的高度。

2.矢跨比

當拱頂、拱腳高程確定后，根據(jù)跨徑即可確定拱的矢跨比。矢跨比是拱橋設計的一個主要特征數(shù)據(jù)，它不但影響主拱圈內力，還影響拱橋施工方法的選擇，它與整個拱橋的造價密切相關。同時，矢跨比也影響整個橋梁的視覺效果及其與周圍景觀的協(xié)調。

三、上承式拱橋的設計要點

對于當前應用較為廣泛的上承式拱橋，其設計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。

（一）合理地確定出肋拱的數(shù)目及其間距

對于肋拱的數(shù)目和間距應當結合橋梁寬度、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。設計實踐經驗表明，橋梁寬度在20m以內者適宜采取單幅雙肋拱形式；對于橋寬在20m以上時，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、拱上結構橫向跨度與尺寸增大太多。同時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。

（二）箱形肋拱的尺寸確定

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

（三）箱形板拱鋼筋布置

由于大跨徑箱形板拱橋的主拱圈在運營階段通常承受壓應力控制，拉應力一般較少，因此對于主拱圈的設計可采用素混凝土，但應當配置構造鋼筋，同時配置箱肋吊裝過程中的受力鋼筋。對于閉口型箱肋，通常可配置頂板和底板受力鋼筋；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)量應當根據(jù)箱肋段在吊裝以及懸掛過程中的受力情況計算確定。對于成拱后此部分鋼筋，如達到最小配筋率要求，則在拱的驗算中可以將其計入。沿箱壁的高度方向應布置分布鋼筋，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分別布置橫向及徑向鋼筋，同時應當對橫向、徑內鋼筋采取有效連接。在對鋼筋混凝土拱進行設計時，這時主拱圈截面的縱向受力鋼筋應當滿足使用階段的受力要求，同時還應當確保拱圈吊裝時的受力需要。