九孔連拱設(shè)計(jì)淺談

衛(wèi) 超，張繼明

（1.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015；2.溫州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 溫州 325000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，橋梁作為一個(gè)工程建筑物，不僅要滿足社會(huì)交通功能的需求，同時(shí)還要為人們?nèi)找嬖鲩L的精神文化需求發(fā)揮效應(yīng)。橋梁作為一個(gè)具有力學(xué)、美學(xué)的結(jié)構(gòu)建筑，在市政設(shè)施建設(shè)方面，越來越多的被賦予了景觀功能要求。武漢市蔡甸區(qū)蓮花湖茂林橋，就是此類工程中典型的一例。茂林橋采用九孔連續(xù)拱橋，多孔拱橋立面具有曲線感，玲瓏輕巧，作為景觀橋梁具有很強(qiáng)的競(jìng)爭力[1，2]。

1 工程概況

茂林橋位于武漢市蔡甸區(qū)蓮花湖景區(qū)，是新建茂林路上跨越蓮花湖7#湖上的一座人車通行橋梁。橋梁兩邊分別與道路相接，橋梁西端接沿湖路A段，東端接沿湖路B段。沿湖路與茂林路銜接處需做道口設(shè)計(jì)。橋址范圍湖面寬度約220 m，考慮到橋梁兩端道路平交叉口的空間需要，橋梁長度需控制在150 m左右為宜，便于上下橋兩端的道口設(shè)計(jì)。

該工程在方案設(shè)計(jì)階段，根據(jù)業(yè)主要求，同時(shí)結(jié)合蓮花湖7#湖地理情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)功能、造價(jià)、景觀及施工各方面因素，設(shè)計(jì)了三個(gè)橋型方案，分別為：6×25 m空心板橋（橋面連續(xù)）；八孔變截面連續(xù)板橋，跨徑組合為12 m+6×20 m+12 m；九孔連續(xù)拱橋，跨徑組合為10 m+12 m+14 m+16 m+18 m+16 m+14 m+12 m+10 m。

經(jīng)多輪方案比選后，考慮到蔡甸蓮花湖的景觀需求，選定九孔連續(xù)拱橋?yàn)闃蛄鹤罱K橋型方案。橋型效果見圖1。

圖1 茂林橋效果圖全景

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

汽車荷載：城—B級(jí)；

主孔凈空：3.5 m；

設(shè)計(jì)車速：30 km/h；

行車道數(shù)：雙向兩車道。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)總述

連續(xù)拱橋橋面寬度為15 m ，橋面寬度組成為：2.5 m（人行道）+10 m（行車道）+2.5 m（人行道），其中行車道范圍內(nèi)鋪裝為9 cm瀝青混凝土+8 cm現(xiàn)澆混凝土；人行道范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)層為8 cm人行道板，人行道板上鋪2 cmM10水泥砂漿，砂漿上貼3 cm厚人行道地磚。

橋梁跨徑為多跨連續(xù)拱橋，跨徑組合為10 m+12 m+14 m+16 m+18 m+16 m+14 m+12 m+10 m，拱圈厚度為0.4 m，兩鉸拱體系，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；橋墩為實(shí)體板式墩，承臺(tái)厚度為2.0 m，橋墩樁基直徑?1.2 m；橋臺(tái)為U型橋臺(tái)，下接承臺(tái)及樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)樁基直徑?1.2 m。

3.2 設(shè)計(jì)總體思路

結(jié)構(gòu)體系選定：無鉸拱橋?qū)Φ鼗筝^高，本橋范圍內(nèi)淤泥質(zhì)黏土層較厚（最厚處約10 m），因此本橋拱橋不宜采用高次超靜定體系的無鉸拱，而三鉸拱拱頂鉸施工較麻煩，且在運(yùn)營階段往往容易損壞，影響橋梁的使用和耐久性，綜合考慮本橋最終選用對(duì)地基適應(yīng)性較好的兩鉸拱橋。同時(shí)，為減輕上部結(jié)構(gòu)的自重，采用空腹式拱。

上部結(jié)構(gòu)：因本橋拱圈跨徑較小，為施工方便，同時(shí)便于地方施工，拱圈采用便于搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工的板拱。

下部結(jié)構(gòu)：橋梁基礎(chǔ)分為樁基礎(chǔ)與擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種。茂林橋地處蓮花湖全湖區(qū)，根據(jù)勘測(cè)單位提供的地質(zhì)勘察報(bào)告，橋位范圍內(nèi)表層土為雜填土，其次為厚度在4～10 m厚的淤泥質(zhì)粘土及軟塑黏土，土質(zhì)基本接近流～軟塑，地基承載力為40～70 kPa。此種地質(zhì)情況下，墩臺(tái)若采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，則基礎(chǔ)的換填深度很深，而其基礎(chǔ)沉降難以控制，對(duì)連拱拱橋的結(jié)構(gòu)不利。因此，墩臺(tái)基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)是不合適的。鑒于此，本橋下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)為U型橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋墩為板式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3.3 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

上部結(jié)構(gòu)：拱圈采用板拱，拱軸線為圓弧線，失跨比為1∶5。拱圈寬度14.2 m，厚度0.4 m，拱腳處設(shè)置鉛墊塊，鉛墊塊外包薄銅片，形成鉸接體系。為減小結(jié)構(gòu)自重，拱圈上設(shè)置五道縱墻，縱墻上設(shè)置實(shí)心板形成橋面。縱墻厚度為0.4 m，考慮到縱墻向拱圈的力的擴(kuò)撒效應(yīng)，在縱墻處設(shè)置0.4 m×0.4 m的墻址，以使拱圈受力橫向趨于均勻。

橋梁典型斷面見圖2。

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的選定

基礎(chǔ)剛度在連拱體系拱橋計(jì)算中，對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響較大，在基礎(chǔ)剛度與拱圈剛度比值大于38時(shí)，可不考慮連拱效應(yīng)，按單拱計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，本橋基礎(chǔ)剛度與拱圈剛度比值約為12，故不能按單拱計(jì)算。本橋計(jì)算時(shí)按照上下部結(jié)構(gòu)一起建模型進(jìn)行計(jì)算。

連拱計(jì)算模型見圖3。

圖2 典型橫斷面(單位：mm)

圖3 連拱計(jì)算模型

對(duì)于上下部協(xié)同受力的情況，在連續(xù)剛構(gòu)橋中同樣存在，國內(nèi)對(duì)于這種情況的簡化處理，主要有以下4種方法：

（1）將樁基按照實(shí)際尺寸連同承臺(tái)和拱圈一起建模，樁基在沖刷線以下兩側(cè)加裝水平土彈簧，彈簧剛度K按照m法計(jì)算，K=m×Z×b×Δh，其中m為土層地基土比例系數(shù)，Z為該層土據(jù)沖刷線處距離，b為樁基計(jì)算寬度，Δh為土層厚度。

（2）將沖刷線以上樁基利用有限元法桿件單元模擬，沖刷線以下樁基利用比擬桿件進(jìn)行模擬，在桿件頂加裝水平彈簧進(jìn)行剛度補(bǔ)償，沖刷線以下基樁比擬桿件的補(bǔ)償剛度ΔK及幾何尺寸如下：

式中：A’為比擬桿件截面面積；L為等效長度；I為桿件截面抗彎慣矩[6]。

（3）根據(jù)規(guī)范，將沖刷線以下樁基模擬成Π型剛架，連同承臺(tái)一起迭代到上部結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行縱向計(jì)算[2]。

（4）根據(jù)拱橋連拱計(jì)算理論，縱向計(jì)算時(shí)，將墩柱、承臺(tái)與拱圈一起按照有限元單元建模，因?yàn)楸緲蚧鶚毒鶠榍稁r樁，故承臺(tái)豎向可按剛性支撐考慮，水平向加裝彈簧支撐（剛度K1），轉(zhuǎn)角方向加裝彈性轉(zhuǎn)角約束（轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K2），同時(shí)考慮抗彎與抗推之間的傳遞系數(shù)（K3），計(jì)算橋墩樁基的抗推剛度、抗彎剛度

根據(jù)以上4種計(jì)算方法，結(jié)合本次工程的施工步驟，主要采用了模式（4）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用模式（3）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核，同時(shí)結(jié)合施工步驟，進(jìn)行了施工階段的計(jì)算。

3.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

拱橋縱向計(jì)算采用同濟(jì)大學(xué)有限元通用程序橋梁博士V3.0，計(jì)算結(jié)果顯示，1號(hào)墩受力最不利，承臺(tái)底內(nèi)力為：豎向力P=11 400 kN，水平力H=1 650 kN，彎矩 M=6 250 kN·m，經(jīng)群樁計(jì)算后，得知，地面沖刷線處樁的水平位移5.6 mm，小于6 mm。單樁樁身最大彎矩為840 kN·m，剪力為275 kN，豎向力最大為2 018 kN，最小為1 780 kN，采用1.2 m樁基礎(chǔ)按照常規(guī)構(gòu)造配筋即可滿足安全要求。

拱圈配筋計(jì)算：因?yàn)楸緲驗(yàn)閮摄q拱，縱向計(jì)算長度 L0＝0.54La，拱圈截面下緣最大內(nèi)力為N=7 310 kN，M=2 590 kN·m，按照偏心受壓構(gòu)件，根據(jù)計(jì)算進(jìn)行配筋。拱圈上緣按構(gòu)造配筋即可；考慮到縱墻向拱圈的力的擴(kuò)撒效應(yīng)，在縱墻處設(shè)置0.4 m×0.4 m的墻址（見圖2），以使拱圈受力橫向趨于均勻。拱圈縱向主筋配置在墻址向下各45°角擴(kuò)散到拱圈底范圍內(nèi)，其余范圍內(nèi)按照@150 mm間距均布?16縱向鋼筋。

因拱圈縱向跨徑較小，且寬跨比接近1∶1，故不需要驗(yàn)算拱圈的面內(nèi)、面外穩(wěn)定性。

4 主要施工措施及施工步驟

4.1 場(chǎng)平及地基處理

施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，場(chǎng)平措施是采用橋梁邊線兩側(cè)筑路堤圍堰施工，而在施工單位進(jìn)場(chǎng)時(shí)，7#湖內(nèi)湖水基本接近于干涸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，變更了施工措施，采用橋位范圍及兩側(cè)各2 m范圍內(nèi)拋石清淤，然后筑路施工。

4.2 拱橋上下部結(jié)構(gòu)主要施工步驟

（1）地基處理后，進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工。0～9號(hào)墩臺(tái)施工完畢后，在0號(hào)臺(tái)、9號(hào)臺(tái)后側(cè)墻內(nèi)填筑透水性砂土，砂土摩擦角不小于35°。

（2）因本橋連拱長度較長，為盡量減小連拱效應(yīng)，拱圈澆筑時(shí)，采用先澆筑兩端各三孔拱圈，最后澆筑中間三孔拱圈的原則施工。具體步驟是，先搭設(shè)第一、第二孔拱圈支架，并對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，待支架穩(wěn)定、消除彈性變形后，綁扎第一、第二跨拱圈鋼筋，而后澆筑第一跨拱圈，待拱圈混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%后，拆除第一跨拱圈支架，搭設(shè)第三孔拱圈支架，同時(shí)對(duì)第三孔支架進(jìn)行預(yù)壓，而后澆筑第二孔拱圈，待拱圈混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%后，拆除第二跨拱圈支架，綁扎第三孔拱圈鋼筋并澆筑拱圈混凝土，待拱圈混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的90%后，拆除第三跨拱圈支架。第七至九孔按此施工。而后一次搭設(shè)第四至六孔支架并澆筑拱圈混凝土。

（3）全橋拱圈成型后，拆除所有拱圈支架，進(jìn)行縱墻和橋面板施工。縱墻施工時(shí)，按照橫橋向?qū)ΨQ的原則施工，先澆筑兩邊及中間的三道縱墻，最后澆筑其余兩道縱墻。

（4）全橋橫向設(shè)置四塊橋面板，吊裝施工時(shí)需對(duì)稱施工，先吊裝中間兩塊橋面板，而后吊裝兩側(cè)的兩塊。

（5）橋面系施工。

5 結(jié) 語

（1）在景觀需求較高的區(qū)域，采用多跨連拱結(jié)構(gòu)可滿足景觀需求，提升景觀效果。

（2）多跨拱橋在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照單跨、多跨分別計(jì)算，考慮施工階段的工況，按最不利工況計(jì)算配筋。

（3）在軟弱地基區(qū)域修建拱橋，應(yīng)注意基礎(chǔ)的處理，特別是臺(tái)后擋土墻區(qū)域的抗滑移及穩(wěn)定性計(jì)算。

茂林橋?qū)嵕耙妶D3。

圖4 茂林橋?qū)嵕?/p>