深厚軟弱覆蓋層地區拱橋設計

石睿

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著我國經濟與文化的發展，大眾審美需求與意識的提升不斷給城市的設計者們帶來新的挑戰。深受大眾喜愛的拱結構，逐漸開始被應用于地基基礎相對較差的地區。廖宸鋒對近年來新興的葵形拱橋進行了研究，所研究的拱為一跨式，拱腳通過承臺與橋臺相連，臺后土壓力能夠平衡一部分拱腳推力。其研究主要集中于拱肋本身，未對基礎進行討論。陳萬里等對某多跨式葵形拱橋的總體設計原則進行了論述。宋佳等對某多跨連拱的設計展開了討論，主要對連拱的連拱效應做了研究。施智等對厚覆蓋層地質條件下的有推力拱橋如何抗推進行了研究，其研究重點主要在于如何通過基礎設計來承受推力。

1 工程概況

該橋梁位于廣州市南沙區的明珠灣起步區核心區域，該區域作為粵港澳大灣區的幾何中心，對建設工程有很高的景觀要求，片區內所有橋梁要求“一橋一景”。根據片區總體規劃，該橋梁所處區域規劃為鉆石水鄉片區，主要功能是水系通達的現代化水鄉風格居住區域。通過對片區規劃的分析以及上下游其他同類橋梁設計語言的解讀，經與業主多輪溝通，該橋梁擬采用拱形結構。

橋梁所在道路規劃為城市支路，設計汽車荷載等級為城-B 級，人群荷載為3.62kPa。橋梁總寬15m，河涌總寬約50m，地震動峰值加速度0.125g，地震基本烈度為Ⅶ度。

根據地質勘查報告，橋位處地質情況從上至下分別為①淤泥質土，層厚約21.7～23.4m；②粉質黏土，層厚約1.5～3.2m；③中砂，層厚約16～18.6m；④全風化花崗巖，層厚約0～2.1m；⑤強風化花崗巖，層厚約0～3.1m⑥中風化花崗巖。樁基彎矩零點位于淤泥質土層中，受力不利。

2 概念設計

在以往的設計中，通常不重視橋梁的概念設計，或者簡單地認為概念設計就是橋梁的外形設計。近年來，橋梁設計領域對概念設計愈加重視。比較典型的案例是公路、城市橋梁抗震規范中對于橋梁抗震概念設計做出了諸如場地、基礎持力層、下部結構抗推剛度比等一系列規定，其理念在于設計伊始就應對結構設計問題做出思考，從而避免在后期結構設計時再出現不合理的設計而需要花很大的代價去補救，更甚是最開始的結構選型就完全不適用于場地。

受此啟發，在初定選擇拱形結構后，首先對該項目橋梁進行概念設計。此階段主要任務是平衡景觀性、拱結構推力的大小以及經濟性。在軟弱覆蓋層地區，拱的推力理論上可以通過增強基礎設計來承受，但需要犧牲經濟性。同時，跨徑不大時較強的下部結構會使橋梁整體顯得笨重，不具美感。

結合該橋實際建設條件，主要可以選擇的結構有單跨系桿拱橋、三跨梁拱組合型拱橋、拱腳通過承臺與橋臺背墻相結合的單跨上承式拱等。簡支系桿拱在拱體系之外完全無推力，但該橋橋面較窄，拱肋需布置于人行道外側，需另行協調紅線調整。而單跨上承式拱雖通過拱座與橋臺合建的方式平衡了一部分推力，但橋臺總體推力仍較大，需要加強基礎設計。三跨梁拱組合型拱橋，邊拱與主拱間空腹段梁板平衡了大部分推力。但由于基礎的變形，此結構體系仍有一定的推力，結構設計時需要把握好橋墩結構的剛度與結構整體內力的關系。

通過對該橋進行概念設計，最終認為三跨梁拱組合型拱橋是適用于該項目建設條件的。后續結構設計階段需處理好橋墩結構剛度與結構整體內力的關系，即使在深厚淤泥質土層地質條件下，仍可以相對經濟地實現業主期望的拱橋建設。橋梁總體布置圖如圖1 所示。主拱矢高2.83m，凈跨徑21.25m，矢跨比1/7.5，采用圓曲線。兩側端橫梁設豎向支座，其余主、邊拱圈與橋墩、空腹段梁板等固結。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

3 有限元建模及計算

根據概念設計階段的思考，結構設計中重點對橋墩剛度的影響進行了研究。整體結構分析采用通用有限元計算程序Midas/Civil 進行，該橋地質條件較差，主墩采用樁基礎，抗推剛度較小，計算時應考慮各跨間的連拱效應。為準確考慮連拱效應，需要拱、墩內力按其真實剛度比對應分配。因此，計算結果準確度的關鍵在于真實模擬結構各部剛度。模型中采用樁基按實際長度建模、根據其實際所處地層的地基土比例系數計算土彈簧剛度并于節點施加彈性支承的方式來模擬樁土效應。

土彈簧剛度根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）中給出的m 法進行計算。各土層的土比例系數m 的取值見表1。

表1 該次設計中m 的取值（kN/m）

土層淤泥質土粉質黏土中砂m 4000 7500 15000

中風化巖的巖石地基抗力系數C取值為15000000kN/m。

計算采用平面桿系模型，所有構件均以梁單元模擬。樁基與承臺之間的連接采用剛臂模擬，邊支點采用一般支承，橫墻與主拱圈及拱上梁段采用剛性連接。

計算時分別選取了1.3m、1.5m 和1.8m 三種常用樁基尺寸進行對比。計算模型結構離散圖如圖2所示。

圖2 計算模型結構離散圖

4 結果分析

根據有限元計算結果，在拱肋結構及橋墩尺寸均相同的情況下，對1.3m、1.5m 和1.8m 三種常用樁基尺寸模型的計算結果進行了對比。因為梁拱組合型拱橋的上部結構由拱圈和梁固結而成，根據力平衡原理，需要對空腹段梁結構所受拉力重點關注，具體計算結果可見表2 和表3。

表2 位移結果對比表

注：水平位移遠離主拱拱頂為正，豎向位移向上為正。

樁基直徑/m 1.3 1.5 1.8主拱圈拱頂豎向位移/mm-16.83-14.51-12.54樁頂水平位移/mm 4.78 4.13 3.58主拱圈拱腳水平位移/mm 6.93 6.41 5.85

表3 內力結果對比表

注：彎矩以截面下緣受彎為正，軸力以受拉為正。

樁基直徑/m主拱圈拱腳彎矩/（kN·m）主拱圈拱腳軸力/kN拉桿軸力/kN主拱圈拱頂彎矩/（kN·m）13629.6 12765.3 12155.1 7984.3 8629.4 9132.5 1.3 1.5 1.8-6291.7-5881.9-5582.7-12352.8-12711.6-12987.2

通過表2 的對比可以看出，隨著樁基直徑的增加，下部結構抗推剛度相應增大，結構各關鍵位置的位移均呈減小趨勢。但1.8m 比1.5m 和1.5m 比1.3m 樁基抗彎慣性矩分別增大107.4%和77.3%，而樁頂水平位移的減小比例僅分別為13.3%和13.6%，顯示隨著樁基尺寸的增大，對結構位移控制的幫助能力是逐步減小的。在主拱圈拱頂豎向位移的控制上同樣體現了此趨勢。

根據表3 結果可以看出，隨著樁基直徑的增加，下部結構抗推剛度相應增大，主拱圈受力得到改善。拱腳負彎矩及拱頂正彎矩均呈減小趨勢，同時拱腳軸力增大，拱圈的受力趨于合理。這與下部結構剛度增大對結構的位移控制改善是相通的。但值得注意的是，在主拱圈受力改善的同時，邊拱和主拱間拱上梁板所受拉力明顯增大，對于空腹式拱而言，該梁段同時承受著較大的彎矩，屬于典型的拉彎構件，不利于設計。在該橋的設計過程中，出現了最初擬定的空腹段梁段尺寸不足，由該處控制設計的情況。

與位移變化趨勢相類似，內力變化也呈現隨著樁基直徑增大主拱圈內力優化幅度減小、空腹段梁段拉力增大幅度減小的規律。

此類結構之所以具有以上特性，原因在于當下部結構剛度無限大時，端橫梁設豎向支座的梁拱組合型拱橋由主拱、邊拱及拱上梁段組成自平衡體系，拱腳推力與拱上梁段拉力能夠形成平衡關系。但由于下部結構的變形，拱腳推力無法完全與拱上梁段所受拉力平衡。因此，結構變形越小，拱上梁段所受拉力就越大，但最終會趨于與結構按理論力學計算所得拱腳推力形成平衡關系，這也是計算模型中隨著樁基直徑逐漸加大，變形減小趨勢變小、拱上梁段拉力增大趨勢變小的根本原因。

在結構設計時，應注意此類結構體系的這一特點，避免因擔心軟弱覆蓋層的影響而不斷加強基礎設計。增加下部結構成本的同時，給拱上受拉梁段的設計帶來困難，進而影響結構的美觀性。

此類結構設計時可以樁基礎的單樁豎向承載力及樁頂位移值作為指針對基礎進行設計。規范中雖未對樁頂水平位移做出明確限制，但可參考位移大于6mm 時m 值需折減的規定，取6mm 作為樁頂位移控制值。

5 結語

城市景觀橋梁設計過程中，應注重概念設計，避免結構設計階段方案的顛覆性修改。同時，對比較適合于深厚覆蓋層地區建造的梁拱組合型拱橋，設計時應注意其受力特點，建議以樁頂位移和單樁豎向承載力作為下部結構設計的控制指標，以期使結構各部位受力趨于合理，同時外觀輕盈美觀。目前，該項目所述橋梁已完成施工，待所在道路總體竣工后即可投入運營。