大跨径拱桥承载力设计要点探究

姜明坤

（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）

1 工程概况

1.1 项目地理位置及地质情况

桥区地处贵州高原北部山区向四川盆地过渡的斜坡地带，位于遵义县石板镇东部5km处，受构造、侵蚀、剥蚀作用较强烈，桥区地势起伏较大。该桥横跨水泊渡水库，桥区附近海拔为803.20～903.30m，相对高差为100.10m，桥轴线地面高程为830.20～900.00m，相对高差为69.80m，两桥台地形较陡，管桥起点岸覆盖层较厚，终点岸基岩出露较好。桥区地貌类型属侵蚀溶蚀型低中山河谷地貌。桥位区属长江水系乌江流域之三级支流下溪河，库区常年期水位高程为844.54m，库蓄量最高水位高程为848.0m。

桥位区内地层主要由上覆第四系残坡积层（Qel＋dl）碎石土、亚粘土及下伏基岩三叠系下统夜郎组玉龙山段（T1y3）紫色泥质粉砂岩、灰黄色泥灰岩和九级滩段（T1y2）灰岩组成。桥位区未发现断层通过。

1.2 技术标准

桥面宽度：10.0m。桥梁设计荷载：静荷载：水重＋管重＋管座重；动荷载：水锤效应产生的振动力。设计洪水频率为1／100。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），桥位地震动反应谱特征周期为0.35s，地震动峰值加速度为0.05g，桥区地震基本烈度为VI度。本桥设计提高一级设防，设计基准期为100年。

2 桥型方案拟定

根据地形、地貌及地质情况，最初设计方案为7×30m预应力混凝土T梁、5×40m预应力混凝土T梁及主跨110m钢筋混凝土箱拱。当采用预应力混凝土T梁时，有几个桥墩落在水库中，虽然工程造价相对较低，但水库最低水位时最大水深为23.5m，施工极其困难，且容易污染水体，加上在极度干旱的情况下放水施工是不现实的。因此，最终桥型方案确定为：上部构造：5×10m（预制吊装钢筋混凝土简支空心板）＋1×110m（钢筋混凝土箱型拱）＋4×10m（预制吊装钢筋混凝土简支空心板）。主跨110m钢筋混凝土箱拱，拱圈高度为1.9m，矢跨比L0／F0＝1／6。经计算，拱轴系数m＝1.756，单箱三室，采用悬拼拱架施工，引孔也采用10m预制吊装钢筋混凝土简支空心板。下部构造：桥墩墩身采用现浇钢筋混凝土三柱式圆形墩，基础分别采用扩大基础及钻孔桩基础。桥台采用轻型台及重力式桥台，基础采用桩基及扩大基础，拱座基础采用扩大基础。由于本桥主拱圈大部分处于常洪水位变动范围内，为了提高拱圈的耐久性，将对整个拱圈混凝土掺入改性聚丙烯纤维，掺入量可取1.0kg／m3。拱圈要考虑防渗措施，本桥抗渗等级为W10，需加入的材料应按相关规定取用，掺入量应通过配合比试验确定。该桥桥形结构如图1所示。

3 荷载分析

桥面全宽10m，共有4根水管从桥上通过，直径从左到右依次为1.0m、1.4m、1.8m、0.6m，纵向每10m设一管座。管座重量与水管自重为46.92kN／m，当管内注满水时，总重量为98.44kN／m（静荷载）。水管通过桥梁后，自桥尾起向上通过坡度为25°的山坡，到达山顶高位出水池，高差为75.2m，水泵位于桥梁起点下方，高差为54.7m。

在水利管道设计中，有一因素需要考虑，即“水锤效应”。电动水泵合电起动时，在极短的时间内，即可从静止状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量，由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，所以，流量的急剧变化将在管道内引起压强过高或过低的冲击，出现“空化”现象，压力的冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一般，称为“水锤效应”。水锤效应只和水本身的惯性有关系，和水泵没有关系。对于支撑输水管道的桥梁结构而言，水锤直接引起急剧变化的管道压力可以看作自平衡内力，通过管座传递至桥梁结构的瞬时荷载可以忽略。但是水锤效应以机械波的形式传递，引发的周期性的管道振动对桥梁结构存在威胁，需结合流体力学相关理论进行进一步的动力分析，并判断共振的可能性。

针对桥上平铺水管，水锤对桥梁的影响应通过水流和管道的耦合动响来体现。相关文献表明，在本桥设计采用的水管管径、壁厚、管道敷设等条件下，水锤波固有频率与桥梁结构的低阶固有频率相差较远，二者不存在交叉，不会发生共振。但水锤效应引发的周期性的管道振动产生的附加力需要考虑，采用水锤效应拟静力分析，水锤效应等效成大小为λqw（λ为水锤动力放大系数；qw为水体等效均布力），向下作用的均布荷载作用于全桥。参考温州 《大门大桥过桥水管方案安全评价》，动力放大系数λ取1.5，计算得水锤效应振动产生的附加力为57.9kN／m。因此，本桥设计荷载为：管座重量＋水管自重＋水自重＋水锤效应振动产生的附加力＝156.34kN／m。

4 腹孔及引桥跨径的选择

过水管线原设计为每5m设一个管座，根据相关规范及本桥主孔跨径，拱上腹孔孔跨设计为10m，上部构造采用钢筋混凝土空心板较合适，按此设计，有一或两个管座势必落在桥面板跨径之间。桥面板仅用于水管架设时施工车辆的通行和运营期间人员检查维修使用，如此大的荷载置于桥面板跨径之间，需要加强板的钢筋。通过计算，若有一个管座置于桥面板中间或桥面板跨径之间没有放置管座，则需要增加1.95倍钢筋，会造成较大的浪费。为了节约工程造价及消除水锤效应引发的周期性的管道振动对桥面板的长期影响，延长桥面板的使用寿命，与管线设计单位沟通后将管线管座间距调整为10m，管座直接放置在墩顶处。鉴于上述原因，根据地形、地质情况，将引桥跨径也设计为10m，上部构造同样采用钢筋混凝土空心板，方便施工人员集中预制、吊装。

5 主拱圈计算

大跨径拱桥应验算拱顶、1／4拱跨、3／8拱跨和拱脚四个截面，必要时应验算1／8拱跨截面。为节省篇幅，本例只验算拱顶、1／4拱跨和拱脚三个截面的内力。其余截面，除不计弹性压缩的内力必须在影响线上直接布载求得以外，其步骤和1／4拱跨相同。

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）第4.3.1条的规定，无铰拱及双铰拱的计算可不考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用，即主拱圈裸拱受力，现采用桥梁博士3.03软件进行分析计算（见图2～图6）。

经计算，所设计的主拱圈各项指标均满足要求。

6 主拱圈施工方案

长期以来，拱桥都采用搭设满堂支架进行拱圈施工，但在许多特定的自然环境下，例如桥梁位于很高的深山狭谷中，在水位深、水流急及有通航要求的河流中，搭设满堂拱架会遇到很大的困难甚至完全不可能。本桥由于处于水库中，因此不可能采用满堂支架施工，最可靠的方案为悬拼拱架施工，即以贝雷架拼装体系为主要受力结构，利用钢丝绳做扣索进行辅助受力的施工方法，在不能搭设满堂拱架的地方，它是一种非常实用的施工方法。拱架采用空间有限元程序MIDAS／Civil进行空间整体分析。

7 结语

拱桥外形美观，其形状能反应出桥的受力状况。拱桥不是简单地架在基础之上，而是不断地把基础向外推，就好像把一个拱形梁两脚着地放着，然后在拱顶加载，这个梁就会向两端伸展变平。为了防止两边拱脚外移，要在两边设置重物来阻挡。有了这些桥台，拱桥的承受能力要比单纯把曲线形构件拼成一跨的承受能力大的多，这就是拱桥的原理。拱桥设计在桥梁建设应用中十分重要，也是较为复杂的，需结合土力学、结构力学、岩土力学等基础力学知识，根据桥梁专业特点来进行设计并解决设计中遇到的各种问题。它对设计人员各方面素质要求较高，在掌握土木工程专业知识的基础上，还要对地质学等知识熟悉了解。

[1]庄小将，马芹刚，王丰平，等.大门大桥引桥过桥管线作用效应研究[J].桥梁建设，2011，（6）：50-53.

[2]马芹纲，陈方东，庄小将，等.大跨度斜拉桥过桥水管振动关键问题研究[J].世界桥梁,2009，（4）：50-53.

[3]姚正兰，王君军.遵义市2009／2010年秋冬春连旱事实及形成原因初析[J].地球科学进展，2011，（10）：1109-1115.