大跨径箱型拱桥设计技术探析

2013-06-10徐建华

交通运输研究 2013年20期

徐建华

（新疆交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐 830006）

1 拱桥设计组成

主拱圈是拱桥的主要承重结构，它承受桥上的全部荷载，并将荷载传递至桥墩台及基础。由于主拱圈是曲线形，—般情况下车辆都无法直接在弧面上行走，所以在桥面与主拱圈之间需要有传递荷载的构件或填充物，以确保车辆能够在平顺的桥道上行驶。桥面系与主拱圈之间这些传力构件或填充物统称为拱上结构或拱上建筑。拱桥的下部结构（桥墩台）起着支承桥跨结构的作用并将桥跨结构的荷载传至基础与地基。图1所示的为中孔拱桥，因此只设置了桥台，桥台还起到连接拱桥与两岸路堤连接的作用，使路桥形成一个协调的整体。

图1 实腹式拱桥

2 拱桥设计

2.1 桥型选取

拱桥的选型多样，即使同一个桥址也可选取不同形式的桥型，但应当结合桥梁的使用要求、长远发展情况、设计与施工条件等综合考虑确定桥型。根据工程实践经验，对于桥梁跨径在100m以内的山区公路桥梁，当桥梁附近含有丰富的石料时，则可适宜考虑选取石拱桥，这样可以有效地节省工程造价，同时方便施工。对于桥梁跨径在80～100m的跨河桥，如无法搭设支架施工时，可采用钢筋混凝土箱板拱或箱肋拱。目前箱板拱已经具备了设计施工经验成熟、构造简单等优点，但材料用量比箱肋拱大。

2.2 桥梁总体布置

2.2.1 合理地定取桥梁全长以及拱桥的分孔

桥梁的长度必须有效地确保桥下具有足够的排洪面积，以能安全渲泄设计洪水流量，并使河床不致遭受较大的冲刷，同时应根据河床允许冲刷的程度，适当地缩短桥梁长度以有效地节省工程整体造价。具体设计时应根据水力水文计算以及技术经济条件，综合考虑以确定两岸桥台台口之间的总长度，再根据纵、横、平三个方向综合考虑桥梁与两头路线的连接、桥台的施工以及地质条件而确定桥台的位置、形式以及相应的尺寸。

2.2.2 分孔设计

分孔是拱桥设计中关键的环节，对于通航河流在确定其孔数和跨径时应根据通航孔和非通航孔分别考虑。通航孔的路径和通航净空高度应满足航道等级规定的要求，并与航道部门协商共向确定。通航孔应设计在常水位时河床最深处或航行最方便的河域。对于航道可能变迁的河流，必须设置几个通航孔，以有效地确保在主流位置变化后也能满足通航要求。非通航孔或通航不合理的则根据经济原则分孔，以使桥梁上、下部结构的总造价最低。同时应保证各孔净跨径之和满足设计洪水流量安全通过的要求。

分孔时还应考虑施工的方便以及平战结合的要求。通常全桥适宜采用等跨或分组等跨的分孔方式，并尽可能采用标准跨径以有助于施工方便，又能改善下部结构的受力。分孔时需考虑全桥的造型。

2.3 拱桥的设计标高和矢跨比的确定

拱桥的设计标高有四个，即桥面标高、拱桥底面标高、起拱线标高和基础底面标高（见图2）。合理地确定这几个标高是拱桥结构设计方案的重要问题。

图2 拱桥的设计标高

拱桥的桥面标高一方面要考虑纵断面设计要求，另外还要保证桥下净空能满足泄洪以及通航的要求。桥面标高反映了建桥的高度，相同纵坡条件下，桥高会使两岸接线工程量显著增加，桥梁的总造价提高。而桥面标高也不能设计过低，否则会影响通航和安全渲泄洪水。工程实践表明，对于山区河流下的拱桥，由于两岸公路路线的位置较高，桥面的标高应当由两岸线路的纵断面设计控制。对于跨越平原区河流的拱桥，桥面的最低标高一般由桥下通航及排洪要求控制。对于无铰拱桥，拱脚可以设在设计洪水位以下，但淹没深度不应超过净矢高的2／3，并且拱顶底面都应高出设计洪水位1.0m。

桥面标高确定后，用桥面标高减去拱顶处的建筑高度，就可得到拱顶底面的标高。拟定起拱线标高时，为减小墩台基础底面的弯矩以节省下部结构的圬工用量，一般适宜选取低拱脚的设计方案。但是对于有铰拱桥，拱脚需高出设计洪水位至少0.25m。为防止冰害，不论无铰拱桥还是有铰拱桥，拱脚均应高出最高流冰水位至少0.25m。

3 上承式拱桥的构造

对于当前应用较为广泛的上承式拱桥，其设计所采用的主拱圈截面形式主要包含板拱、箱形肋拱、板肋拱、双曲拱以及肋拱等。鉴于拱桥构造设计的重要性，下文将结合工程实践，总结拱桥构造设计的技术要点。

3.1 合理地确定出肋拱的数目及其间距

对于肋拱的数目和间距应当结合桥梁宽度、材料性能、承受荷载情况以及施工条件来综合确定。从构造简化上考虑，由于目前大多数采用吊装形式施工，为此肋拱的数目适宜采取少肋形式。设计实践经验表明，桥梁宽度在20m以内者适宜采取单幅双肋拱形式；对于桥宽在20m以上时，则适宜采用分离的双幅双肋拱，以防止由于肋中距增大而造成肋间横系梁、拱上结构横向跨度与尺寸增大太多。同时为了有效地确保肋拱的横向整体稳定性，对于上下游肋拱最外缘的间距一般不宜小于跨径的1／15。

3.2 箱形肋拱的尺寸确定

肋拱尺寸应当根据拱圈的受力情况而确定，初步拟定肋高时，可根据跨径的1／70～1／50来确定，肋宽则取肋高的1～2倍。对于采用单箱肋设计的肋拱，其肋拱尺寸不但要满足使用阶段的受力要求，同时还应满足肋拱在施工中出现的吊装、悬挂等的稳定性要求。

3.3 箱形板拱钢筋布置

由于大跨径箱形板拱桥的主拱圈在运营阶段通常承受压应力控制，拉应力一般较少，因此对于主拱圈的设计可采用素混凝土，但应当配置构造钢筋，同时配置箱肋吊装过程中的受力钢筋。对于闭口型箱肋，通常可配置顶板和底板受力钢筋；对于开口型箱肋，则可把钢筋布置在箱壁上缘和底板上。钢筋数量应当根据箱肋段在吊装以及悬挂过程中的受力情况计算确定。对于成拱后此部分钢筋，如达到最小配筋率要求，则在拱的验算中可以将其计入。沿箱壁的高度方向应布置分布钢筋，其间距不大于200mm。在顶、底板及腹板上沿拱轴方向一定间距应分别布置横向及径向钢筋，同时应当对横向、径内钢筋采取有效连接。在对钢筋混凝土拱进行设计时，这时主拱圈截面的纵向受力钢筋应当满足使用阶段的受力要求，同时还应当确保拱圈吊装时的受力需要。

3.4 横系梁设计

从受力角度来分析，对于箱型肋拱中的横系梁，其可以有效地提高拱桥横向稳定性，同时还可以分担横向荷载，显然对于横系梁的设计应确保其有足够的刚度以及承载力要求，与肋拱之间的连接应当采取刚性连接。从肋拱的横向稳定性以及构造要求角度考虑，横系梁尺寸应当满足这两点要求，结合工程设计经验，对于一般横系梁高度可采取与肋拱高度相同原则，短边尺寸可以取其长度的1／15。对于箱型截面的横系梁则要求其壁厚不应小于100mm。在钢筋构造配置方面，则要求横系梁四周应配置直径大于16mm钢筋。横系梁与肋拱的连接可以采取预埋钢板焊接连接。同时为了有效地保证横系梁与肋拱刚性连接，应当采取湿接头，分别在肋拱侧面与横系梁端头预留连接钢筋，横系梁安装完成后则焊接钢筋并现浇接缝混凝土，接缝宽度可采用300mm。