茅以升公益橋設計方案研究

摘要：茅以升公益橋為上承式粗料石砂漿砌體無鉸拱橋。文章以該橋設計方案為依托，闡述了砌體偏心受壓構件抗壓承載力與偏心距的關系，明確了該橋拱軸系數取值依據，研究了拱腳位移對上承式石拱橋主拱內力的影響規律。研究結果表明：主拱肋拱軸線線型和截面構造宜按小偏心受壓構件進行設計；當拱軸系數m取2.6時，結構內力分配較合理；主拱肋內力對拱腳水平位移較敏感，應嚴格控制拱腳水平位移。

關鍵詞：石拱橋；偏心距；拱軸系數；拱腳位移

中圖分類號：U442.5 A 51 181 2

0 引言

石拱橋具有構造簡單、造型優美、取材方便、造價低和耐久性好等優點，在我國具有悠久的歷史，當今世界上保存最為完善、跨徑最大的單孔敞肩型石拱橋——趙州橋距今已有1 400余年歷史［1］。在20世紀60年代左右，我國修建的大量石拱橋，目前仍然發揮著重要的交通作用。在當今大跨橋梁的建設中，石拱橋不再具有競爭力，但是在山區修建石拱橋，既能保證與環境協調，又能節約工程成本。

本文闡述了茅以升公益橋設計方案，研究了砌體偏心受壓構件抗壓承載力與偏心距的關系，分析了拱軸系數取值依據，探討了拱腳位移對上承式石拱橋主拱肋內力的影響規律，為同類橋梁工程建設提供參考。［2］

1 建設方案

1.1 工程背景

茅以升公益橋是廣西河池市天峨縣六排鎮納洞村的民生工程。原漫水橋是納洞村村民、農用車、小轎車通行的重要通道，橋寬4 m，橋下泄水孔由5根內徑為1 m的圓管組成。每年6～10月，洪水經常漫過橋面0.3 m左右，洪水最高峰時水面漫過橋面1.3 m。經常性漫水給河左岸納洞村屯300多人的出行帶來不便，同時存在極大的安全隱患，當地交通主管部門及村民希望能新建一座橋梁，保障村民的出行安全。茅以升公益橋的建設將為周邊群眾的交通出行提供便利，新增安全連接紐帶。

1.2 橋位方案

納洞村為低山地貌，兩岸村莊主要集中在原漫水橋周邊，右岸村道沿河岸延伸，左岸村道從原漫水橋處向山區延伸。橋位方案的確定主要考慮兩個因素：（1）盡可能利用現狀道路的銜接，節約工程成本；（2）有利于周邊群眾的出行。納洞村村委、村民建議新建橋橋位直接利用漫水橋橋位。因此，選擇原漫水橋處作為新建橋梁的橋位，既能方便周邊群眾的出行，又能減少銜接道路的建設，節約工程投資。

1.3 橋型方案

茅以升公益橋為上承式粗料石砂漿砌體無鉸拱橋，橋梁全長23.2 m，橋寬5.5 m。主拱圈拱軸線為懸鏈線，拱軸系數為2.6，凈跨徑L0=20 m，凈矢高f0=3.636 3，凈矢跨比f0/L0=1/5.5。

主拱圈跨中10 m范圍內為實腹段，兩側各設2個半徑為1.3 m、1.0 m的腹拱，這種型式又稱為敞肩拱。敞肩拱可以增加泄洪能力，4個腹拱可增加約11%的過水面積，減小洪水對橋梁的沖擊力，提高橋梁結構安全性；敞肩拱相比實肩拱可節省大量拱上建筑材料，減輕橋身的自重；同時，敞肩拱造型優美，4個腹拱與主拱結合，顯得更加輕盈，體現了建筑與藝術的融合。

1.4 基礎方案

擴大基礎為推力拱橋較常采用的基礎方案。本項目橋位兩岸覆蓋層為卵石層，右岸卵石層底面標高為227.2 m，總厚度約為5 m；左岸卵石層底面標高為228 m，總厚度約為4 m；施工水位為231 m。若采用擴大基礎，施工過程中水易倒灌，存在較大的安全隱患，且距右岸橋尾約5 m處的電線桿需改遷，增加工程造價，因此，擴大基礎在本項目中不是較優方案。而承臺+樁基礎方案施工便利，且工程造價較低，因此本項目基礎型式采用此方案。

1.5 技術標準

（1）道路等級：鄉村道路（支路）。

（2）設計速度：15 km/h。

（3）汽車荷載：城-B級（車道荷載乘以0.6折減系數、車輛荷載乘以0.5折減系數），按《鄉村道路工程技術規范》（GB/T 51224-2017）中小型車專用道路標準執行。

（4）橋面寬度：橋面寬度為5.5 m，具體布置形式為0.25 m欄桿+0.5 m（檢修道）+4 m（行車道）+0.5 m（檢修道）+0.25 m欄桿。

（5）橋梁設計基準期：100年。

（6）設計安全等級：一級。

（7）橋梁所屬的環境類別：Ⅰ類。

2 砌體偏心受壓構件承載力與偏心距的關系

根據《公路圬工橋涵設計規范》（JTG D61-2005），砌體偏心受壓構件承載力的驗算與偏心距的大小有密切關系。取凈跨徑為20 m的粗料石砂漿砌體無鉸拱橋開展研究，截面寬度和高度分別取5.5 m和0.75 m，塊石強度等級為MU60，砂漿強度等級為M20。

截面抗壓承載能力與偏心距的關系如圖１所示，當偏心距小于界限偏心距0.6 s（s值表示截面或換算截面重心軸至偏心方向截面邊緣的距離，下同）時，按小偏心受壓構件進行驗算；當偏心距大于界限偏心距0.6 d時，按大偏心受壓構件進行驗算。從圖1可知，截面處于大偏心受壓時，抗壓承載能力較低，宜按小偏心受壓進行主拱拱軸線線型和截面構造設計。

3 主拱拱軸系數優化分析

矢跨比和拱軸系數是影響拱橋主拱結構受力的關鍵參數［3］。結合橋位處洪水位、兩岸地形及周邊路網條件，主拱宜采用坦拱，矢跨比取1/5.5，拱軸系數m是影響結構內力分配的重要參數。

為研究拱軸系數m對主拱結構內力分配的影響，分別取m為1.4、1.8、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0開展拱軸系數參數敏感性分析。根據不同拱軸系數取值開展結構計算分析，并計算截面偏心距，不同工況下主拱截面最大偏心距與拱軸系數關系如表1、表2所示，其中彎矩最大工況為拱頂截面，彎矩最小工況為拱腳截面。

從表1～2可以看出，拱軸系數越大，拱腳截面偏心距越小，拱頂截面偏心距越大，拱軸系數的選取應綜合考慮。當m≤1.8時，最不利工況下截面最大偏心距大于界限偏心距0.225；當3≥m≥2.2時，最不利工況下截面最大偏心距均小于界限偏心距0.225；當m=2.6時，偏心距最小，結構受力最合理，因此，拱軸系數取2.6。

4 主拱對拱腳位移敏感性分析

為研究樁頂位移對主拱結構受力的影響規律，分別取拱腳水平位移為1 mm、2 mm和3 mm，豎向位移為1 mm、10 mm和20 mm。主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移關系如圖2所示，主拱拱腳截面彎矩與拱腳豎向位移關系如后頁圖3所示。從圖2～3可以看出，主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移和豎向位移均呈線性關系，且主拱拱腳截面彎矩對拱腳水平位移較敏感。由前述可知，主拱截面宜按照小偏心受壓構件進行設計，因此應嚴格控制樁頂水平位移，建議清除拱座基坑開挖過程對后趾造成擾動的土體，并在拱座后趾砌筑漿砌片石頂緊原狀土，以控制其水平位移。

5 結語

本文介紹了茅以升公益橋設計方案，論證了主拱肋拱軸系數取值依據，分析了拱腳位移對主拱結構內力分配的影響規律，得出如下結論：

（1）拱軸系數越大，拱腳截面偏心距越小，拱頂截面偏心距越大，拱軸系數的選取應綜合考慮。當m≤1.8時，最不利工況下截面最大偏心距大于界限偏心距0.225；當3≥m≥2.2時，最不利工況下截面最大偏心距均小于界限偏心距0.225；當m=2.6時，偏心距較小，結構受力最合理，建議拱軸系數取2.6。

（2）主拱拱腳截面彎矩與拱腳水平位移和豎向位移呈線性關系，且對拱腳水平位移較敏感，設計和施工時應嚴格控制拱腳的水平位移。

參考文獻

［1］茅以升.中國古橋技術史［M］.北京：北京出版社，1986.

［2］胡柏學，鐘珍云，謝海秋，等.中國石拱橋發展述評［J］.湖南交通科技，2006，32（1）：124-126，142.

［3］曾有鳳.鋼管混凝土拱橋拱軸線參數敏感性分析［J］.西部交通科技，2021（5）：109-111，150.

收稿日期：2022-12-20