S型曲线上主跨100米拱桥选型与设计

旷 斌

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001

S型曲线上主跨100米拱桥选型与设计

旷 斌

贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001

磨乡大桥是国家高速公路杭瑞线贵州境遵义至毕节段跨越V型沟谷的大桥，桥梁处于S型曲线段内，主跨100米。本文重点介绍本桥的选型及设计计算过程，以供同行参考。

高速公路；拱桥

highwa；yarch bridge

桥梁简介

磨乡大桥是国家高速公路杭瑞线贵州境遵义至毕节段项目的重要构造物之一，桥梁为跨越磨乡河而设，河谷深切，桥跨轴线上河床断面呈V字型。桥梁孔跨两岸引桥采用2×30m预应力砼简支T梁，主跨采用100米钢筋砼箱形拱桥。

本桥平面位于缓和曲线及圆曲线段上，平曲线要素：① JD1：R＝1000m、缓和曲线长Ls=150m。YH点：K1760+072. 596，GQ点：K1760+222.5964。②JD2：R＝720m、缓和曲线长Ls=155.044m。HY点：K1760+377.639。全桥纵坡：i ＝+1. 7%,i＝+3.8%,竖曲线变坡点为K1760+600, 变坡点高程为1391.536。竖曲线要素：竖曲线半径30000m，T=315m，E=1.654m。

1.桥梁选型

本桥在初步设计阶段结合桥位处的地形地质条件拟定了两种桥型方案。方案一：2×30mT梁+ 100m（钢筋砼拱桥）+2×30mT梁；两岸桥台为肋板式桥台；方案二为（65m+110m+65m）预应力砼连续箱梁桥，两主墩为空心墩、群桩基础；两岸桥台为肋板式桥台。两方案桥型布置简图如图1图2所示：

图1 方案一桥型布置简图

图2 方案二桥型布置简图

初步设计阶段对这两种桥型方案进行了比选，具体内容如表1所示：

表1 桥型方案比较表

从上表1分析结果来看，对于本桥桥型，方案一优于方案二，故选取方案一作为推荐方案。

2.桥梁设计计算

本桥因桥跨处于曲线段内，施工阶段采取主孔拱圈直修，通过调整拱上排架盖梁悬臂端长度及拱上简支板横向位置来适应路线线型的需要；引桥每跨T梁按折线布置，通过调整主梁长度以适应路线线形要求；路线边缘曲线通过调整边梁外悬臂长度形成。主跨板拱主拱圈采用贝雷钢桁拱架现浇施工，拱上排架采用支架现浇施工，拱上简支板采用预制吊装施工。引桥T梁采用预制场预制，机械吊装架设；下部墩台采用现场浇筑。

本桥跨径为100m的钢筋混凝土拱桥，矢跨比1/5，拱上立柱间距6.0m，主跨主梁为钢筋混凝土板梁，两端由拱上立柱支承。主拱拱肋采用10.5×1.9m钢筋混凝土箱型断面，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为1.756。基础均采用明挖扩大基础。

桥梁主要技术指标如下：桥面净宽11m（半幅），按三车道加载；设计荷载为公路-Ⅰ级；温度荷载：设计基准温度15℃，体系升温19℃，体系降温18℃，非线性温差按2004版交通运输部部颁规范规定计入。

2.1 整体平面静力计算

2.1.1 计算模式

应用二维平面线性有限元软件—桥梁博士进行计算，将结构简化为二维模型，其中桥面板近似按整体板模拟；根据施工流程分别形成计算图式，考虑各施工阶段及运营阶段荷载进行施工阶段及运营阶段整体受力计算，全桥共分为59个节点、55个单元、5个受力阶段，结构离散见图3所示。

图3 平面结构离散图

2.1.2 计算参数及荷载

拱肋、立柱采用C40混凝土：抗压弹性模量为3.25x104MPa，标准抗压强度为26.8MPa，标准抗拉强度为2.40MPa，线膨胀系数为0.00001；桥面板采用C30混凝土：抗压弹性模量为3.00x104MPa，标准抗压强度为20.1MPa，标准抗拉强度为2.01MPa，线膨胀系数为0.00001。荷载考虑有：①恒载：结构自重、混凝土收缩徐变。二期恒载集度为64.5kN/m。②汽车荷载：公路-Ⅰ级，横向折减0.78。③温度：按体系升温19℃，体系降温18℃考虑，考虑桥面非线性温差。

2.1.3 控制荷载组合

①永久作用+汽车可变作用。

②永久作用+汽车可变作用+体系温升+桥面板温升。

③永久作用+汽车可变作用+体系温降+桥面板温降。

2.1.4 结构内力计算结果

2.1.4.1 成桥阶段结构内力如图4～5所示：

图4 拱肋轴力图

图5 拱肋弯矩图

拱轴单元内力表、桥面单元内力表、立柱单元内力表均不一一列出。

2.1.4.2 正常使用阶段内力组合Ⅰ：长期效应组合如图6～7所示：

图6 拱肋最大、最小轴力图

图7 拱肋最大、最小弯矩图

拱轴单元内力表、桥面单元内力表、立柱单元内力表均不一一列出。

2.1.4.3 正常使用阶段内力组合Ⅱ：短期效应组合如图8～9所示：

图8 拱肋最大、最小轴力图

图9 拱肋最大、最小弯矩图

拱轴单元内力表、桥面单元内力表、立柱单元内力表均不一一列出。

2.2 拱肋计算

2.2.1 拱肋配筋计算

根据上述内力结果对结构进行试配筋验算，结构控制截面内力基本上可通过配筋达到要求。

2.2.2 拱肋刚度计算

经计算，活载挠度最大值发生在拱肋L 3/8处，正负挠度绝对值之和为0. 0066m，小于规范规定容许值L/800（0. 125m），故刚度满足要求。

2.2.3 主墩基础计算

根据设计要求，拱座基础置于凿去强风化岩之基岩上，要求基底承载力不小于1.0MPa，摩擦系数取0.5。计算基底承载力纵向受力效应，验算抗滑安全系数和抗倾覆安全系数，详见下表。

表4 主墩基础计算结果汇总表

计算表明，基地压力远大于1MPa。基础抗滑移安全系数、抗倾覆安全系数均满足规范要求。

如侧向容许承载值也能达到1000kPa，按静土压力考虑其侧向抗力，大小为69300kN，大于拱肋水平推力，故不需要验算拱座基础的抗滑移能力。

表5 主墩基础计算结果汇总表

计算表明，基地压力大于1MPa，可提高基础要求，使其底面承载力不低于1.5MPa。基础抗倾覆安全系数满足规范要求。

3. 结语

拱桥为贵州地区典型桥型，目前近年来因拱桥施工中出现的一些事故，此类桥梁占高速公路中的桥型比例渐少；对于贵州地区地质较好路段，尤其是灰岩、砂岩地区，地形呈V型或U型峡谷，在安全、经济、适用、美观的原则指导下，拱桥是不可替代的桥型。本文论述的桥梁尚处于S型曲线段内，在合理的桥梁加宽范围内，大跨拱桥方案也是可以考虑的，对同类地形路线平曲线指标无法提高的情况下，本桥的思路具有一定的借鉴意义。

The Selection and Design of Main Span 100March Bridge in the S-Curve

Kuang Bin Guizhou Institute of Transport Planning Survey and Design Co, Ltd, Guiyang, Guizhou 550001

MOXIANG Bridge belongs to the highway of Hangzhou to Ruili(the section of Zunyi to bijie), across the V-shaped valley, the bridge at the S curve segment, the main span is 100meters. Describes the selection and calculation of the bridge, for reference only.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.04.022

旷 斌(1981—),男,工程师,2004年毕业于武汉大学土木工程专业,现从事桥梁设计研究工作。

表2 主墩基础顶面内力汇总表

表3 主墩基础底面内力汇总表