鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋設計

■殷桂芳 王 健

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

1 項目概況

1.1 工程背景

鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋在重慶江津至貴州習水高速公路設計中得到廣泛應用。該工程起于渝瀘高速刁家互通附近，止于渝黔界東勝鎮附近與貴州相接。鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋與山區景色融為一體，方便了高速公路兩側居民的日常通行。

圖1 雙圓弧拱人行天橋照片

1.2 技術標準

(1)設計荷載：人群荷載3.5kN/m2。

(2)結構設計基準期：100年。

(3)地震設防：本地區場地地震動加速度峰值為0.05g，橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防烈度為6度，抗震設防措施等級為7級。

(4)橋涵所處環境類別：Ⅰ類。

(5)橋面寬度：橋面凈寬3.0m，橋梁全寬3.5m。

(6)通行凈空；高速公路≥5.5m。

(7)結構設計安全等級：一級。

(8)高程系統：采用1985國家高程基準。

(9)坐標系統：采用1980西安坐標系，中央子午線106°10′，投影抵償高 350m。

1.3 橋型布置

人行天橋上跨主線，采用凈跨徑1-40m鋼筋混凝土雙圓弧拱，橋梁全長為47.26m，橋寬3.5m。橋臺采用鋼筋混凝土拱座、C25片石混凝土擴大基礎。

圖2 橋型圖立面（cm）

圖3 橋型圖平面(cm)

2 結構選擇

2.1 上部結構

主拱圈采用雙圓弧鋼筋混凝土拱，上拱圈拱頂采用半徑為103.10m的鋼筋混凝土拱，拱圈為3.5m寬的C40鋼筋混凝土實心截面，下拱圈拱底采用半徑為42.50m的鋼筋混凝土拱，拱圈為2.0m寬的C40鋼筋混凝土實心矩形截面。

2.2 下部結構

橋臺采用鋼筋混凝土拱座、擴大基礎，必須嵌入邊坡中風化巖體內，要求巖層基本容許承載力 [σ0]不小于600kPa，且臺身必須與巖體抵緊以平衡拱腳水平推力。橋臺為重力式臺、擴大基礎。拱座采用C30混凝土，橋臺基礎采用C25片石混凝土。

工程場地地震動加速度峰值為≤0.05g，對應地震基本烈度為VI度，橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防措施等級為7級，橋臺尺寸滿足《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/TB02-01-2008)第11.2條要求。

圖4 上部結構橫斷面(cm)

圖5 主拱圈立面圖(cm)

圖6 拱座、基礎立面圖（cm）

圖7 拱座、基礎側面圖（cm）

2.3 附屬

橋臺拱座后塞2cm厚輕質泡沫板，并回填C25片石混凝土，挖方梯步兩側設置M5漿砌片石護面墻。基礎開挖施工時，應注意防排水，墩臺處開挖形成的人工邊坡應采取必要的支護措施。

圖8 橋臺開挖示意圖

圖9 挖方梯步立面圖

圖10 挖方梯步斷面圖

主線行車道正上方40m范圍的人行道設置欄桿網，其余部分設欄桿，防落物網高度1.8m，欄桿高度1m。橋面鋪裝采用C50防水混凝土，厚度為10cm。

3 結構計算

3.1 計算軟件

采用橋梁結構分析軟件 “橋梁博士系統 V3.2”進行靜力計算分析。鋼筋混凝土拱圈按鋼筋混凝土構件設計，計算中考慮了各個施工階段和最終運營階段的最不利組合，計入了收縮徐變產生的內力重分布。

3.2 計算參數選取

(1)一期恒載 q1：拱圈重力密度取 γ=26kN/m3。

(2)二期恒載 q2：

100mmC50混凝土，重力密度取γ=26kN/m3，欄桿網8.06kN/m。

q2=3×0.1×1×26+8.06=15.9kN/m

(3)人群荷載：人群集度3.5kN/m2。

(4)地基及基礎不均勻沉降：3mm。

(5)拱圈升溫、降溫及溫度梯度均按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2015)4.3.12取值。

(6)最大裂縫寬度不應超過0.2mm。

3.3 計算結果分析

(1)模型建立

拱肋、拱座和基礎采用梁單元模擬，基礎底邊界條件通過輸入彈性系數進行模擬。橋博模型如下圖11所示：

圖11 橋博三維模型圖

(2)計算結果分析

①正截面抗彎強度驗算

圖12～13分別為基本組合下拱圈最大彎矩及其對應的抗力，最小彎矩及其對應的抗力。

圖12 拱圈最大抗力及抗力對應內力圖

圖13 拱圈最小抗力及抗力對應內力圖

由上圖可見，承載能力極限狀態下拱圈的正截面抗彎強度滿足要求。

②拱圈上下緣裂縫寬度驗算

圖14～15分別為拱圈上下緣裂縫寬度計算結果：

圖14 拱圈上緣裂縫圖

圖15 拱圈下緣裂縫圖

圖16 基礎抗傾覆驗算圖

拱圈上下緣裂縫寬度不超過0.2mm，滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》表6.4.2要求。

③擴大基礎抗傾覆驗算

利用橋梁博士基礎計算模塊，對橋臺擴大基礎進行抗傾覆驗算。

基礎抗傾覆穩定系數＞1.3，基礎抗滑動穩定系數＞1.2，滿足《公路橋涵地基與基礎設計規范》4.4.3要求。

4 施工工藝

從施工角度看，山區的交通不發達，大型起吊設備進出場費用過高或進場困難，采用纜索吊裝施工有一定的難度，所以滿堂支架現場澆注施工成為一個較好的施工手段。

4.1 主拱圈施工

(1)主拱圈采用滿堂支架現場澆注施工，澆注混凝土前對支架進行等載預壓，以消除支架的非彈性變形，預壓期不小于7d，連續3d沉降觀測累計不大于3mm。支架基礎必須進行加固以減小施工過程中的沉降量，滿足施工規范要求。拱肋外模板采用大塊鋼模板。鋼模板初次使用時應將與混凝土接觸面上的銹跡清除干凈。不得采用對混凝土表面有污染、對混凝土有腐蝕的材料代替脫模劑。應嚴格控制各梁段斷面尺寸。

(2)主拱圈施工采用整體一次現澆、一次落架的施工方法。

圖17 主拱圈滿堂支架現場施工圖

(3)拱上結構施工應在主拱圈達到設計強度的90%后方能進行，并要求對稱澆筑。等主拱圈和拱上建筑混凝土強度達到設計強度后方能拆除支架。支架拆除嚴格遵照施工規范要求。

(4)每階段均要進行施工觀測，控制主拱圈的變形。

4.2 基礎和拱座施工

(1)基礎施工

橋臺采用C25片石混凝土擴大基礎，基礎持力層為中風化泥巖，基礎具體施工工藝如下：

①橋位及基礎放樣，用全站儀測量橋位定位，并對基坑放樣，根據設計圖所示，基坑邊坡按1∶1放坡定開挖邊線。

②基坑開挖，土層采用人工開挖，石方采用風鎬和淺眼爆破施工。當基坑開挖距基底設計標高30cm時，采用風鎬開挖，人工鑿除清底至設計高程。

③當基坑開挖至設計標高后，進行基礎定位放樣，放樣尺寸比基礎尺寸寬50cm，保證基礎立模位置，放樣后如發現開挖尺寸不到位，用人工修整到基坑放樣尺寸。

④立基礎模板，模板采用組合鋼模板，外支撐加固模板。

⑤澆注基礎片石混凝土，混凝土由混凝土拌和站生產，混凝土運輸車運送到基坑上方，用滑槽將混凝土滑入基礎模內澆注。

(2)拱座施工

拱座主要承受拱橋的拱圈傳遞來的水平推力和拱橋傳遞的壓力，拱座具體施工工藝如下：

①拱座砌筑前先進行施工放樣，砌筑時應先兩面立桿掛線或樣板掛線，外面線應順直整齊，逐層收坡；砌筑過程中經常校正線桿，以保證砌體各部尺寸符合圖紙要求。

②砌體應分層坐漿砌筑，砌筑上層時，不振動下層，不在已砌好的砌體上拋擲滾動，翻轉和敲擊石塊。

③橋臺拱座后塞2cm厚輕質泡沫板，并回填C25片石混凝土。

④拱座采用組合鋼模立模，混凝土由混凝土拌和站生產，混凝土運輸車運送，汽車吊配吊斗澆注。

圖18 橋臺現場施工圖

5 結語

(1)鋼筋混凝土雙圓弧拱構造優美，與周邊景色相互輝映。拱橋一孔跨越主線，無需在高速公路中分帶設置橋墩，既滿足了凈空要求，也方便了附近居民的日常出行。

(2)橋博計算結果表明：承載能力極限狀態下拱圈的正截面抗彎強度和裂縫寬度均滿足規范要求；橋臺擴大基礎的抗傾覆穩定系數和抗滑動穩定系數同樣滿足規范要求。

(3)考慮到山區地形的復雜性，鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋的施工工藝相對簡單，且造價較低，既方便了施工又有較好的經濟效益。