拱桥设计总体布置若干问题探讨

2012-04-01崔惠德

城市道桥与防洪 2012年12期

崔惠德

（吉林交通职业技术学院公路勘察设计院，吉林长春130012）

1 概述

拱桥是桥梁工程中使用广泛、历史悠久的一种桥梁结构类型。我国的拱桥不仅数量众多、桥型丰富，而且保持着石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥跨径的世界纪录。目前，世界上最大跨度的石拱桥是我国山西晋城丹河大桥，主跨146 m；世界上最大跨径的钢筋混凝土拱桥是我国万县长江大桥，主跨420 m;世界上最大跨径的混凝土桁架拱桥是我国贵州江界河大桥，主跨330 m；世界上最大跨径的钢拱桥是我国上海卢浦大桥，中承式钢箱结构，主跨550 m。拱桥与梁桥的区别，不仅在于外形不同，更重要的是两者受力性能有差别。由力学知识可以知道，梁式结构在竖向荷载作用下，支撑处仅仅产生竖向支撑反力，而拱式结构在竖向荷载作用下，支撑处不仅产生竖向反力，而且还产生水平推力。正是这个水平推力的存在，使得拱的弯矩将比相同跨径的梁的弯矩小很多，整个拱主要承受压力。这样，拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝土等材料来修建，而且还可以根据拱的这个受力特点，充分利用抗压性能好而抗拉性能较差的圬工材料，石料、混凝土、砖等来修建。

2 拱桥长度及分孔的确定

拱桥总体布置的主要包括：拟定结构体系及结构形式；拟定桥梁的长度、跨径、孔数；拱的主要的几何尺寸；桥梁的高度；墩台及基础形式和埋置深度；桥上及桥头引道的纵坡等。

2.1 经济技术比较

当通过水文水力计算和技术经济等方面的比较，确定两岸桥台之间的总长度之后，在纵向、平面和横向三个方面综合考虑桥梁与两端路线的衔接，就可以确定桥台的具体位置和长度，从而确定桥梁的全长。在桥梁的全长确定后，根据桥址处的地形、地质等情况，并结合选用的结构体系、结构形式、施工条件和环境要求等，可以进一步确定设计的拱桥是单孔桥还是多孔桥。如果选用多孔拱桥，如何进行分孔和孔尺寸，是总体布置中的一个关键问题。若需要跨越通航河流，在确定孔数与跨径时，一般分为通航孔和不通航孔两部分。分孔时，除应满足设计洪水通过的需要外，还应确定一孔或两孔作为通航孔。通航孔跨径和通航净空的大小应满足航道等级规定的要求，并与航道部门协商。通航孔的位置多布置在常水位时的河床最深处或航行最方便的地方。对于航道可能发生变迁的河道，必须设置几个通航的桥跨。对于不通航孔或非通航河段，桥孔划分可按经济原则考虑，尽量使上下结构的总造价最低。在进行分孔设计时，有时为了避开深水区或不良的地质地段，可能将跨径加大或减小。

2.2 特殊情况设计

在水下基础结构复杂、施工困难的地方，为减少基础的工程量，可考虑采用较大跨径；对跨越高山峡谷、水流湍急的河道，建造大跨径桥梁更为经济合理。在进行分孔设计时，还应考虑到施工的方便和安全。通常，全桥宜采用等跨或分组等跨的分孔方案，并尽量采用标准跨径，不仅便于施工和修复，而且能改善下部结构的受力和节省材料。另外，在进行分孔设计时，还要考虑到桥型的美观和周围环境的协调。

3 拱桥设计高程和矢跨比的确定

拱桥的控制高程主要有4个。即：桥面高程，这个高程确定得是否合理十分重要；另外，拱顶底面高程、起拱线高程和基础底面高程也是拱桥总体布置中的重要问题。桥面高程一般由两岸线路的纵断面设计进行控制。对跨越平原地区河流的拱桥，其桥面最小高度一般由桥下净空所控制，并且还需要满足排泄设计洪水流量或不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求。

3.1 防漂浮物的设计

为了保证漂浮物的顺利通过，在任何情况下，拱顶底面应高出设计洪水位1.0 m。对于有淤积的河床，桥下净空应当适当加高。对于通航的河流，通航孔的最小桥面高度，除应满足以上要求外，还应满足不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求。设计通航水位一般是按一定的设计洪水频率进行计算，并与航运部门具体协商决定。当洪水中带有大量漂浮物，如果拱上建筑又采用立柱时，宜将起拱线高程适当提高，使主拱圈不要淹没过多，以防止漂浮物对立柱的撞击或挂留阻水。有时为了美观的要求，应避免就地起拱，最好使墩台露出地面一定的高度。起拱线高程主要应依据矢跨比的要求确定。当桥面的高程确定之后，由桥面高程减去拱顶处的建筑高度，就可以得到拱顶底面的高程。在拟定起拱线高程时，为了减小墩台基础底面的弯矩，节省墩台的工程量，一般宜选择低拱脚的设计方案。但对于有铰拱桥，拱脚需要高出设计洪水位以上0.25 m。为了防止产生冰害，对有铰拱或无铰拱，拱脚均应高出最高流冰面0.25 m。

3.2 拱圈设计

拱桥设计计算表明，永久作用的水平推力H与垂直反力V之比值，随着矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的水平推力增大，反之则水平推力减小。水平推力大，相应地在拱圈内产生的轴向力也大，对拱圈自身的受力状况是有利的，但对墩台基础是不利的。主拱圈的矢跨比是拱桥设计中的主要参数之一。它不但影响主拱圈内力的选择，还影响拱桥的构造型式和施工方法的选择，应从上、下部结构的受力，通航、泄洪、环保和美学等综合因素考虑确定矢跨比。当拱圈受力后因其弹性压缩，或因温度变化、混凝土收缩，或因墩台位移等原因，都会在无铰拱的拱圈内产生附加的内力，因而拱的矢跨比越小，产生的附加内力也越大。但当拱的矢跨比过大时，也会使拱脚区段过陡，给拱圈的砌筑或混凝土的浇筑带来困难。另外，拱桥的外形是否美观，与周围景物能否协调，也与拱的矢跨比有很大关系，因此在进行设计时，桥的矢跨比大小应经过综合比较后进行选定。一般将矢跨比大于或等于1/5的拱称为陡拱，矢跨比小于1/5的拱称为坦拱。在通常情况下，对于砖石、混凝土板拱桥及双曲拱桥，矢跨比一般为1/6～1/4，不宜小于1/8；箱形拱桥的矢跨比一般为1/8～1/6；上述圬工拱桥的矢跨比一般都不宜小于1/10。钢筋混凝土拱桥的矢跨比一般为1/10～1/6，不宜小于1/12。

4 不等跨连续拱桥的设计措施

为了方便拱桥的设计、施工和管理，多孔连续拱桥最好选用等跨或分组等跨的分孔方案。在受地形、地质和通航等条件的限制，或引桥长度很长，考虑与桥面纵坡协调一致时，或对桥梁的美观有特殊要求时，可以考虑采用不等跨的分孔方式。不等跨拱桥，由于相邻孔的永久作用推力不相等，使桥墩和基础增加了永久作用的不平衡推力。在采用柔性墩的多孔连续拱桥中，还需考虑永久作用不平衡推力产生的连拱作用，使计算和构造复杂。为了减小这个不平衡推力，改善桥墩和基础的受力状况，节省建筑材料和造价，可以采用以下几种技术措施。

4.1 不同的矢跨比

利用矢跨比与水平推力成反比的关系，在相邻的两孔中，大跨径宜采用较陡的拱，小跨径宜采用较坦的拱（矢跨比较小），使两相邻孔在永久作用下的不平衡推力尽量减小。

4.2 不同拱脚高程

由于采用了不同的矢跨比，致使两相邻孔的拱脚高程不在同一水平线上。因为大跨径孔的矢跨比大，拱脚高程降低，减小了拱脚水平推力对基底的力臂，这样可使大跨与小跨的永久作用下产生的水平推力对基底产生的弯矩得到平衡。

4.3 调整拱上永久作用采用不同拱跨结构

当必须使相邻孔的拱脚设置在相同或相接近的高程上时，也可以采用调整拱上永久作用（即建筑质量）的措施，来减小相邻孔间的不平衡推力。大跨径拱可用轻质的拱上填料或采用空腹式拱上建筑，小跨径拱采用重质的拱上填料或采用实腹式拱上建筑，通过增加小跨径结构重力来增大它的水平推力，使相邻孔产生的推力基本平衡。根据工程实践经验，一般是小跨径采用板拱结构，大跨径采用分离式肋拱结构，以减轻大跨径的结构重力，达到减小水平推力的作用。有时为了进一步减小大跨径拱的水平推力，还可以加大大跨径拱肋的矢高，设计为中承式肋拱。在具体进行拱桥的设计时，也可以将以上几种技术措施同时采用。如果仍不能达到完全平衡推力的目的，则高设计成体型不对称的或加大的桥墩和基础尺寸来加以解决。

5 拱桥拱轴线的布设

拱轴线的选择是拱桥设计成败的关键。选择拱轴线时，就是要尽可以降低由于荷载作用产生的拱圈内弯矩数值。最理想的拱轴线是与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，此时拱圈截面只承受轴向压力，而无弯矩作用，从而能充分利用圬工材料的抗压性能。在实际中是不可能获得这样理想的拱轴线。拱桥除受永久作用外，拱圈还要受到汽车、人群荷载等可变作用，以及温度变化和材料收缩等因素的影响。当永久作用下的压力线与拱轴线吻合时，在可变作用下就不会再吻合。公路拱桥的结构重力占全部作用的比重较大，如一座30 m跨径的双车道公路拱桥，可变作用大约只占结构重力的20%，随着拱桥跨径的增大，结构重力所占比例还将增大。因此，以结构重力作用下的压力线作为设计拱轴线，从理论和实际上是比较适宜的。但即使仅在结构重力作用下，拱圈本身的轴线还将因材料的弹性压缩而变形，致使拱圈的实际压力线与原设计拱轴线，仍会发生一定的偏离。因此，在进行拱桥设计时，要选择一条能够使结构重力作用下的截面弯矩为零的拱轴线，是不现实和不可能的。在一般情况下，拱桥设计中所选择的拱轴线应尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈在计入弹性压缩、均匀温降、混凝土收缩等影响下，各主要截面的应力相差不大，且最大限度地减小截面的拉应力，最好不出现拉应力；对于无支架施工的拱桥，应能满足各个施工阶段的要求，并尽可能少用或不用临时性施工措施；线型美观、环境协调、便于施工。

5.1 圆弧线

在均布径向荷载作用下，拱的合理拱轴线为一圆弧线。这类拱桥线形比较简单，施工非常方便。但在一般情况下，圆弧线与结构自重压力线偏差比较大，使拱圈各截面受力不够均匀，因此圆弧线常用于20 m以下的小跨径拱桥。对于较大跨径的预制装配式钢筋混凝土拱桥，有时为了简化施工，也可以采用圆弧形拱轴线。悬链线实腹式拱桥的永久作用集度，可以看作为从拱顶向拱脚是均匀增加的，这种荷载分布图式的拱圈压力线是一条悬链线，实腹式拱桥可以采用悬链线作为拱轴线。在结构自重的作用下，当不计拱圈结构自重因弹性压缩产生的影响时，拱圈截面只承受轴力而无弯矩。

5.2 抛物线

由结构力学可知，在竖向均布荷载的作用下，拱的合理拱轴线是二次抛物线。对于结构自重作用集度比较接近均布的拱桥，一般可以采用二次抛物线作为拱轴线。钢筋混凝土桁架拱和刚架拱等轻型拱桥，由于结构自重作用分布比较均匀，往往采用二次抛物线作为拱轴线。在某些大跨径的拱桥中，由于拱上建筑布置的特殊性，为了使拱轴线尽可能与结构自重作用的压力线相吻合，也可以采用高次抛物线作为拱轴线。