上承式钢筋混凝土空腹式拱桥设计及受力分析

■周 跃 卢士波 钱 鑫

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，南京 210029)

1 引言

城市河道桥梁景观在城市景观、城市文化、城市形象中占有相当重要的作用，随着人民生活水平的提高，人们对城市景观的要求日趋迫切及重视[1]。桥梁作为在城市设计中经常出现的构筑物，与自然环境、城市环境紧密相连。石埠桥位于江苏省南京市栖霞区栖霞街道，地处南京东郊，栖霞山北面，紧邻长江，横跨九乡河，九乡河贯穿栖霞区南北，是栖霞山片区的主要水系，是区域“山、河”格局的重要组成部分。跨九乡河的桥梁设计需从营造区域形象的角度出发，结合片区整体考虑，达到能突出城市风貌的实际效果。石埠桥景观桥因片区河道景观提升，在原桥位处拆除新建，跨越拓宽后美丽的九乡河；结合片区整体城市设计理念，设计采用净跨44m的上承式钢筋混凝土空腹式拱桥，实现了结构与环境的完美融合。

2 工程概况

本工程为石埠桥北路跨九乡河桥梁，桥下通行小游船，桥长64.6m，桥宽33m。桥梁跨径为一孔净跨44m的等截面圆弧线空腹式钢筋砼拱桥，桥台处设人行通道沟通九乡河慢行步道，主拱圈上左右对称设置净跨3.5m的腹孔以减小拱桥自重。桥位处地基土工程性质较差，有大约12m～13m左右的淤泥质粉质黏土，地基水平向抗力系数m值为4000kN/m4。

(1)上部结构

上部结构设计采用单跨净44m的上承式钢筋混凝土空腹式板拱桥，拱圈为无铰圆弧拱，矢跨比为1/6.027，拱轴线为圆弧线，主拱圈采用板厚0.6 m的钢筋混凝土矩形截面；拱上腹拱每端设3孔，净跨径为3.5m，矢跨比为1/3.804，拱圈均采用板厚0.25 m的钢筋混凝土矩形截面。如图1所示。

图1 桥型布置图

(2)下部结构

下部结构设计桥台采用承台钻孔灌注桩基础，承台后设长15m止滑板的组合式桥台。为提高桥台处不良地基土的桩侧土抗力，承台以下钢护筒可作为永久护筒，桥台承台及止滑板以下土体采用粉喷桩进行处理，粉喷桩桩径0.6m，桩长约均13m，纵横向间距1.0m，交错布置，通过施工过程质量控制，保证处理后的地基水平向抗力系数m值达到不小于10000kN/m4。如图2所示。

图2 粉喷桩处理示意图

3 结构受力分析

3.1 计算模型的建立

钢筋混凝土板拱的静力计算分析采用平面杆系理论，以拱轴线为基准线划分结构离散图，按施工步骤划分数个施工阶段和运营阶段进行计算，总体计算采用有限元软件《桥梁博士3.6.0》对拱桥整体结构进行建模计算，不考虑拱上建筑填料与拱圈的联合作用，拱上填料均为荷载考虑。其中上部结构主拱圈、腹拱圈、立墙采用梁单元钢筋混凝土构件断面模拟；桥台台身以及承台采用矩形截面梁模拟；桩基采用矩形等效截面模拟；拱圈与立墙、承台处的节点处理采用刚臂单元模拟。桩土作用采用M法，模拟桩土横向约束刚度及桩端竖向刚度约束；桥台台背作用的土压力双向弹性支承模拟，弹性系数也采用M法计算。建模时考虑支架的支撑作用，支架只约束了一个方向的自由度，在模型中采用单向只受压弹性支撑系梁，抗压刚度为支架材料的弹性模量乘以支架截面积除以支架的高度，在此假设支架变形不考虑，即设置弹性系数很大，模型图见图3。

图3 有限元计算模型

3.2 上部计算结果分析

(1)结构抗弯承载力计算

根据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[2]的相关规定，对主拱圈结构进行正截面抗弯承载力计算。拱圈结构的抗力及抗力对应内力如图 4、图 5所示。

图4 最大抗力及对应内力

图5 最小抗力及对应内力

由上图可见，主拱圈结构部分的抗力均大于内力，结构抗弯承载力计算满足规范要求。

(2)持久状况正常使用极限状态主拱圈裂缝宽度验算

本工程设计时采用配筋为D22@12cm，且于拱脚至1/4跨上下缘附近加强，加强筋为D22@12cm。按作用(或荷载)短期效应组合并考虑长期效应影响进行计算。对应Ⅰ类环境，裂缝宽度限值为0.2mm，经计算最大裂缝宽度为0.11mm＜0.2mm，满足规范要求，程序计算的各截面的裂缝宽度计算结果详见下图6。

图6 结构上下缘最大裂缝宽度(mm)

(3)持久状况正常使用极限状态挠度验算

根据 《公路圬工桥涵设计规范》[4](JTG D61-2005)5.1.11条规定，拱桥应按《公路桥涵设计通用规范》[3](JTG D60-2004)规定的作用短期效应组合，在一个桥跨范围内的正负挠度的绝对值之和的最大值不应大于计算跨径的1/1000,对于本桥不应大于44m/1000=0.044m。根据《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005)5.1.8条规定，温度作用效应乘以0.7的折减系数，混凝土收缩作用乘以0.45的作用效应。则在短期效应组合下，在一个桥跨范围内的正负挠度的绝对值之和的最大值为：0.023+0.7×0.8×0.017+0.7×0.8×0.017+0.7×0.001+0.7×0.003=0.044m， 不大于规范要求的计算跨径的1/1000。故结构的挠度满足要求。

(4)拱桥整体“强度-稳定”验算

根据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004的相关规定进行验算。经验算纵向稳定满足要求。b/L=32.8/44=0.75＞1/20，因此横向稳定不需计算。

3.3 下部计算结果分析

由桥博全桥模型计算结果可知，桩顶最大位移为5.6mm＜6mm，满足规范要求。

本工程中桥台采用群桩基础加止滑板的组合式桥台，计算过程中仅考虑了止滑板0.5倍的抗推作用，其他作为安全储备。计算中桩土作用采用M法，粉喷桩处理后地基土取值m=10000kN/m4，未处理土层取值m=4000kN/m4，基底岩土 Co=1500000 kN/m4，计算值见表 1。

表1 下部计算结果

结合 《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)的相关规定，下部承台、桩基均满足规范要求，结构安全可靠。

4 结论

(1)上承式拱桥设计时应保证结构线形优美的同时尽量避免产生较大的水平推力，适当增大矢跨比 (避免坦拱)、增加桩基数量及间距、加设台后止滑板等有效措施来减小墩台水平位移，控制桩顶水平位移在规范限值，提高结构整体安全和稳定性。

(2)台后填土能抵消部分水平推力，对拱桥的稳定非常重要，因此台后填土应保持稳定，严格控制桥台台后回填土的施工质量。要求台后采用6%灰土回填，分层夯密实，要求密实度不小于96%。分层厚度不宜大于20 cm，严禁松土回填或突击回填，严禁用淤泥质土回填；施工时必须严格按照设计给的施工步骤图控制台背回填土的标高。

(3)由于本工程桥梁处软土地基深厚，桩基施工时应注意护筒口的标高宁高勿低、保证护筒埋设深度不小于5m、泥浆比重应考虑此因素，避免塌孔事故的出现。且桩顶附近的混凝土质量必须确保可靠，要求钻孔桩应比设计多浇筑不少于80cm，然后用人工凿去桩头多余混凝土，扳开钢筋，以确保桩头混凝土中没有泥浆混入，保证桩抗弯性能，承台以下钢护筒可作为永久护筒。

(4)对于软土地基上修建有水平推力的上承式拱桥计算模拟分析时，考虑台背土压力的作用的模拟，对全桥计算结果有一定的影响，主要是考虑土的作用后全桥结构变柔，希望本文对今后该同类型桥梁的设计和建设具有一定的参考价值。