山區大跨徑拱橋設計要點淺析

王玲麗 朱金波

貴州省交通規劃勘察設計研究院有限公司 貴州 貴陽 550001

貴州高速為典型的山區公路，因地勢起伏較大，為實現跨越需大量建橋挖隧道，大跨徑拱橋在其中占有重要比重，拱橋受力情況與拱軸線形密切相關，當矢跨比確定后，拱軸系數決定了拱軸形狀，合理選定拱軸系數是拱橋設計的首要前提，文中結合婭石慶特大橋設計過程，簡要分析山區大跨徑拱橋的設計要點。

1 橋型方案比選

婭石慶特大橋是貴州省金沙經仁懷至桐梓高速公路的一座重要工程，場區為深切“U型”溝谷地形，河谷寬約139m，深約115m，溝谷兩側各有一個卸荷裂隙帶，走向均與陡崖基本平行，垂直豎向發育，延伸較長；溝谷底部金沙岸陡崖腳沿河道分布著大量堆積體，為上方陡崖斜坡長期崩塌堆積形成，坡腳處有常年流水河流；另外，橋位位于婭石慶水庫下游，橋梁孔跨布置須考慮水庫泄洪影響。根據上述限制條件以及橋位處地質情況，充分分析選用合適的橋型，進行方案比選設計。

金沙岸卸荷裂隙帶有明顯錯動跡象，若在溝谷谷底設主墩，主墩墩高接近160m，不但墩高太高，而且主墩還可能受卸荷裂隙帶落石撞擊，造成橋墩受損或更嚴重的事故；同時，因橋址處于婭石慶水庫下游，“U型”溝谷谷底有大量堆積體，夏季洪峰來臨時，溝谷須配合水庫泄洪，若在谷底設主墩，主墩將受洪水沖刷，以及洪水流動帶來的谷底堆積體的撞擊，另一方面，主墩也影響洪水通過，溝谷的行洪能力不滿足要求，介于以上原因，主橋采用跨越溝谷、不在溝谷設置主墩的方案。

金沙岸溝谷側巖層為順層，地質情況從上至下依次為強風化灰巖夾泥巖、中風化灰巖夾泥巖、中風化灰巖，順層巖石外側為卸荷裂隙帶，為避免巖層順層以及卸荷裂隙帶引起的不穩定，需將基礎置于順橋向離卸荷裂隙帶10m以上。從路線縱斷面上看，路線設計線到兩岸穩定的基巖頂面高度約35～40m，對應的桐梓岸基礎位于中風化灰巖夾泥巖層內，為確保桐梓岸基礎穩定，將桐梓岸基礎設于距卸荷裂隙帶5m以上的位置，這樣金沙岸至桐梓岸的主跨跨徑在200m左右，根據主跨跨度及兩岸地形地質情況，主橋采用拱橋方案。設計兩種主橋布置方案，方案一：主跨200m上承式鋼筋混凝土懸澆拱橋，拱圈采用懸鏈線鋼筋砼箱型截面，凈跨徑Lo=200m，凈矢高fo=34m，凈矢跨比fo/Lo=1/5.88，拱軸系數m=1.85，全橋孔跨布置為2x30m簡支T梁+200m鋼筋砼箱形拱+6x30m先簡支后結構連續T梁；方案二：主跨220中承式鋼管拱橋，主拱采用懸鏈線鋼管混凝土等截面桁架拱，凈跨徑Lo=220m，凈矢高h=55.0m，凈矢跨比f=1/4，全橋孔跨布置為1x30m簡支T梁+1x220m的中承式鋼管混凝土桁架拱+5x30m先簡支后結構連續T梁。

方案一因拱橋矢跨比要求，金沙岸拱腳埋置較深，拱座底距地面約27m，1號墩邊坡防護量大，清方量較大，主拱拱圈采用斜拉扣掛懸臂澆筑法施工，施工工藝較成熟，風險相對較小，工程造價較低；方案二中，主拱拱圈采用斜拉扣掛懸臂拼裝法施工，拱圈鋼結構吊裝及運輸難度稍大，施工風險相對較大，工程造價較高，且后期養護費用較高。本著經濟適用原則，推薦方案一。推薦方案橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 拱軸系數的探討

實腹式拱橋的恒載由拱頂至拱腳呈連續分布，恒載壓力線是一條懸鏈線，懸鏈線是實腹式拱橋的合理拱軸線。空腹式拱橋的恒載由立柱傳給主拱圈，恒載分布不連續，其恒載壓力線與拱軸線不能完全重合，目前普遍做法是，仍采用懸鏈線作為其拱軸線，采用五點重合法使拱軸線與恒載壓力線的拱頂、1/4截面、拱腳截面盡量重合。

探討拱軸系數對拱橋的影響主要從以下兩個方面展開，首先，討論拱軸系數變化對拱軸線形的影響。根據方案設計中推薦的凈跨徑Lo=200m，凈矢高fo=34m，凈矢跨比0/L0=1/5.88＜1/5，為坦拱，初擬拱軸系數m=1.85。利用懸鏈線公式及上述條件，先推算出計算跨徑、計算矢高，再利用懸鏈線公式計算出拱軸各點的坐標。改變拱軸系數，查看拱軸系數對拱軸線形的影響，步距按0.1取，分取m=2.15、1.95、1.75、1.65，同樣需要根據方案中給定的凈跨徑、凈矢高，反算出計算跨徑、計算矢高，然后再利用計算跨徑、計算矢高根據懸鏈線公式計算出拱軸坐標。將各m值下的計算跨徑L值、計算矢高、計算跨徑比m=1.85時的增加值及增加百分比、計算矢高比m=1.85時的增加值及增加百分比制成表格，如表1所示。由表1可見，在給定的凈跨徑、凈矢高條件下，計算跨徑、計算矢高與拱軸系數同向變化，但變化值不大，計算跨徑變化最大0.034m（0.02%），計算矢高變化最大0.013m（0.04%）。

表1 各拱軸系數m下的計算跨徑、計算矢高對比

其次，討論拱軸系數變化對拱橋受力的影響。用大型有限元程序Midas建立包括拱上建筑在內的全橋模型，因為拱軸系數m值改變帶來的計算跨徑增加值較小，所以建模時暫不考慮由于計算跨徑變化帶來的各立柱沿橋軸向位置的變化，只改變拱軸坐標及立柱的豎向坐標。分別建立拱軸系數m=2.05、1.95、1.85、1.75、1.65時的有限元模型，計算恒載作用下，各m值下的拱頂、1/4截面、拱腳截面的彎矩和軸力，以及各控制截面的軸力增加百分比、彎矩增加百分比、偏心距e=M/N，如表2所示。

表2 各拱軸系數m下的軸力、彎矩對比

由表2可見，不同拱軸系數下各控制截面的軸力基本沒有變化，彎矩變化較大，但均不為零，所以理論上的五點重合法很難做到，只能讓e值盡可能小。拱軸系數選取時，首先保證1/4控制截面的偏心最小，拱頂截面可以保留一定的負彎矩[1]，上表中當m=1.85時，1/4控制截面的偏心值最小，為0.005，拱頂截面的負彎矩為-5564.3kN·m，故合理拱軸系數取m=1.85。

3 主要構造設計

1）主拱圈：拱圈為單箱雙室截面，單幅箱寬8.0m，箱高3.8m。拱腳支架現澆段頂底板厚度由80cm漸變至30cm，邊腹板厚度由80cm漸變至40cm，中腹板由70cm漸變至30cm。拱圈其它節段頂底板厚30cm，邊腹板厚度為40cm。中腹板厚度為30cm。拱腳0號段采用支架現澆，1～16號段采用掛籃懸澆施工，跨中HZ合攏段采用掛籃吊架施工。

2）主橋橋面系：主橋橋面梁的設計，主要從盡量減少拱上建筑的重量、合理設置拱上立柱（拱上橫墻）數量、方便施工角度考慮。立柱將上部橋面系的重量傳到主拱圈，立柱處的集中荷載使主拱圈承受的恒載壓力線不平滑[2]，同時如果拱上立柱（拱上橫墻）數量較多，也不利于景觀。設計中一方面適當減少立柱的數量，減少立柱對主拱圈的干擾，另一方面通過減輕橋面系重量來減小立柱處集中荷載的大小。

橋面梁可選用空心板、小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁等結構形式，各結構形式均可采用預制吊裝施工，施工方便。若橋面梁采用空心板，根據空心板的跨徑經濟適用范圍8.0～20.0m，則立柱數量需10～15根左右，若橋面梁采用T梁、小箱梁或鋼-混凝土組合梁，橋面梁跨徑采用25m左右，則立柱數量需8根左右，相比之下，8根立柱對主拱圈、環境景觀的干擾少。空腹拱的拱上建筑跨徑一般取主拱跨徑的1/8～1/15，這樣主拱受力較為均勻[3]。根據主跨布置取橋面梁設計跨度為23.8m，23.8m跨度下五片小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁每延米重量分別約為201.7kN/m、236.2kN/m、113.2kN/m，相比之下鋼-混凝土組合梁的重量輕很多。用大型有限元程序Midas建立全橋模型，計算橋面梁在小箱梁、T梁、鋼-混凝土組合梁三種結構形式下，主拱圈的極限承載力，詳細對比情況如表3所示。

表3 各截面形式下的軸力、彎矩對比

圖2 全橋模型

由表3可見，小箱梁、T梁結構形式下，拱圈1/4截面極限軸力增加20%左右，極限彎矩增加50%以上。綜上，橋面梁采用鋼混組合梁形式，該形式下不但自重輕、設計立柱數量少，更有利于主拱圈受力，而且大橋造型更加輕盈美觀，與橋位處景觀匹配更加融洽。

3）拱上立柱、系梁：拱上立柱最大高度為23m，最小高度為1m，立柱根據高度情況采用三種形式：①高度15m及以上的用雙柱式墩設一道系梁，截面尺寸采用160cmx140cm；②高度2～15m用雙柱式墩不設系梁，截面尺寸采用140cmx140cm；③高度1m及以下的用矩形墻式截面，截面尺寸采用140cmx800cm。1、8號立柱高度分為23m、19m，采用截面形式①，2、3、6、7號立柱高度分為11m、4m、2.5m、8m，采用截面形式②；4、5號立柱高度分為1m、0.5m，采用截面形式③；1、8號立柱設置一道截面尺寸為150cmx120cm的橫系梁。

4 結束語

文中主要對婭石慶特大橋的設計過程進行了全面論述。首先，結合婭石慶特大橋的地形地質情況，詳細闡述了大橋主跨確定過程，并對主跨橋型方案進行設計比選，確定最優設計方案；其次，根據橋型方案，探討拱軸系數變化時，拱橋線形的改變情況。通過對比不同拱軸系數下，各主要截面的受力變化情況，根據“首要確保1/4點的偏心距最小，拱頂留有一定負彎矩的原則”選定合理拱軸系數；最后，簡要介紹了婭石慶特大橋的主要構造設計，說明了空腹式拱橋橋面梁的設計過程，包括立柱間距的選取，橋面梁適用的結構形式，為此類橋梁的設計提供參考。