1、精選優質文檔-傾情為你奉上多 跨 連 拱 橋 設 計 研 究 任國紅 李海軍（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司 ）摘要：多跨連拱橋韻律感強烈，造型優美，本文以軟弱地質條件下建造的十一跨鋼筋混凝土連拱橋為例，剖析該類多跨連拱橋的結構受力特點及設計思路，提出了采用體外預應力解決墩臺拱腳間的不平衡推力的解決方案，并通過設置制動墩將拱橋分聯以解決施工期間分次落架的問題。 關鍵詞：上承式拱橋；體外預應力；連拱橋；制動墩； 中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：0引言近年來，城市橋梁景觀要求日益提高，多跨連拱橋韻律感強烈，造型優美具有較強的景觀性，該類橋型在國內地質條件較好的地域并不乏見，但由于上承式

2、拱橋拱腳水平推力較大，在軟弱地質條件下如何解決該推力成為該類橋型設計的關鍵因素。作者介紹的十一跨連拱橋坐落于景色優美的余姚四明湖風景區內，本文以該工程作為項目依托，從結構受力角度對連拱橋的設計進行一系列的剖析，為后續該類橋梁的設計開拓思路。1. 工程概況圖1 橋梁景觀效果圖本橋是連接陸域與湖心島間的一座人行橋，上部結構形式為十一跨上承式連續拱橋，主拱采用矩形拱肋，鋼筋混凝土結構，拱腳與拱肋剛接，拱上建筑采用鋼筋混凝土立柱，橋面系采用預制鋼筋混凝土橋面板結構，橋面板與拱上立柱間鉸接，拱上建筑部分用用天然石材裝飾，形成外觀上的古典實腹拱。本橋全長351m，橋寬8.5m，設計荷載為人群荷載，跨徑采用

3、從中孔向邊孔矢高與跨徑遞減的方案，通過拱圈韻律的變化體現拱橋的美，形成既統一又有變化，美寓其中的漸變韻律，拱肋矢跨比分布在1/3.51/7之間，全橋跨徑布置為：27m+29m+31m+33m+36m+39m+36m+33m+31m+29m+27m=351m。該方案的建筑風格與江南水鄉山青水秀的氣氛非常吻合，橋梁的造型富有藝術性，仿佛像一條彩虹輕盈地橫跨在湖面上，連接島與岸，頗具虹貫湖水之勢。橋梁場址屬浙東盆地低山區和浙北平原區交叉地，為中江沖積河谷平原，湖中常水位14.58m，常水位下水深4.5m， 場地地基土主要有4個地質層，分別為層雜填土、層粉質粘土、層粗砂、1全風化花崗巖、2強風化花崗巖

4、、3中風化花崗巖。層粉質粘土層平均厚度3.55m，其下層為粗砂，液化后易形成流砂，3中風化花崗巖層頂標高處于-10.15.8m。通過以上地質條件可以看出：盡管橋位處有較好的持力層，但埋置較深，其上覆土層較厚，故全橋墩臺基礎均采用承臺+群樁的組合式基礎，樁基采用嵌巖樁，樁底標高根據實際鉆孔情況以進入3層中風化花崗巖不小于2倍樁徑控制。2. 橋梁結構方案構思2.1體系構思多跨連拱橋當一孔橋梁加載受力時，加載孔和相鄰孔橋墩及孔跨都將產生變形，即通常設計時所碰到的“連拱效應”。本橋在整座橋梁中，以樁基、承臺、拱座形成下部結構聯合剛度，上部結構剛度則主要為拱肋自身剛度，根據上、下部剛度比分配外荷載產生的

5、水平推力。考慮施工中的實際情況，十一跨連拱橋一次性全橋落架困難，因此需要選擇恰當的位置設置制動墩將拱橋分聯，通過設置制動墩不但方便施工過程中實現拱橋的分批落架，而且也有利于減弱拱橋相鄰聯間的效應，防止運營期間因一孔意外破壞而引起全橋的垮塌。本橋設計中將4號墩及7號墩承臺加厚，設置為制動墩，并以此為界將全橋結構分為三聯。連拱橋中橋墩處的水平力多數可由兩側拱橋產生的水平推力抵消，但橋臺處的水平推力需根據地質條件慎重解決，如果橋臺處地質條件較好，巖面裸露，可考慮加大橋臺重量，由橋臺基地摩擦力承擔；但在軟弱地基上，橋臺處則必須采用群樁基礎尋找持力層，樁基礎的設置又會造成承臺基底的摩擦力的減弱乃至消失，

6、水平推力轉移到群樁基礎上承擔，群樁基礎可承擔的水平力有限，因此在設計中考慮在兩岸橋臺間增設體外預應力，將橋臺處恒載產生的水平力抵消，橋臺群樁僅承受活載、溫度等交變荷載以及若干年后體外預應力更換時產生的水平推力。2.2構件設計構思上部結構設計中以拱肋為主承力構件，拱肋上現澆立柱，為避免體系升、降溫對上部結構各構件間產生破壞作用，預制橋面板與立柱間采用支座鉸接，各構件間形成靜定體系；下部結構設計受施工條件及造價限制，且當今下部結構設計日益趨于輕型化，橋墩宜采用高樁承臺方案，群樁基礎。圖2 橋梁立面布置圖圖3 橋梁標準斷面布置圖3. 主要構件設計3.1下部結構設計全橋十一跨連拱橋，共設10個橋墩，其

7、中制動墩2個，非制動墩8個，高樁承臺采用圓端形減小流水阻力，考慮景觀效果需要，非制動墩與制動墩平面尺寸一致，僅高度有區別，非制動墩處承臺厚度1.8m，制動墩處承臺厚度4.8m，承臺底設八根梅花樁布置為群樁基礎；其中制動墩承臺厚度的確定原則為：成橋恒載作用下，單聯拱肋對下部結構產生的水平力及彎矩不引起承臺底樁基出現負反力。橋臺處采用樁基+肋板式橋臺，體外預應力鋼束錨于臺帽上，與拱腳處恒載下水平推力保持平衡，前墻采用T形斷面，與肋板一體承受體外預應力產生的彎矩，承臺尾部加長設混凝土砌塊壓重，平衡體外預應力對橋臺產生的巨大彎矩，采用群樁基礎，樁徑1m嵌入中風化巖不小于2 m。圖4 橋臺立面布置圖3.

8、2上部結構設計全橋縱向共有11跨主拱肋，主拱圈采用肋拱+橫系梁的結構形式，主拱肋高度1m，寬度0.55m，橫橋向設4榀，拱肋根部設鋼筋混凝土拱座，拱肋間連接系梁間距控制4.5m5m之間，與立柱縱橋向間距及板梁長度一一對應。立柱根據高度不同共分3種類型。高度>1m為A型立柱，尺寸為0.4mx0.4m，柱底設柱腳，柱頂設柱帽，柱帽下設鋼筋混凝土系梁； B型立柱高度<1m，柱斷面為等截面尺寸；C型為立柱橫梁，連接于拱頂，橫梁上設體外預應力鋼束導向管。橋面板與立柱間采用支座鉸接，根據跨徑及劃分間距不同分為4.5m與5m兩種，橫橋向設兩塊橋面板，每塊預制橋面板寬3.5m，中間設1.5m現澆帶

9、；每塊橋面板設兩根主縱梁，通過主縱梁高度不同調整橋面橫坡。3.3體外預應力鋼束全橋共設3道體外預應力鋼束，其中兩道為全橋通長束，錨于兩側橋臺臺帽上，在每跨拱頂橫梁中預埋導向管轉向，其余A、B型立柱系梁上設定位減震裝置用于體外預應力的定位與減震；此外，根據結構受力需要，在第五孔及第七孔拱頂設一道體外預應力，錨于拱頂立柱橫梁上。4. 設計及計算難點處理4.1全橋結構分析根據結構力學定性分析可知，下部結構越剛性，則相鄰拱間不平衡水平推力越大，拱結構內力越大；反之，下部結構越柔，產生的不平衡推力及拱的內力越小，而下部結構組合剛度主要由拱座承臺剛度及群樁基礎剛度并聯得出，而群樁基礎剛度則與樁位處的地質狀

10、況有很大關聯。因此，準確模擬下部結構剛度以滿足工程設計的要求是本橋設計的關鍵點之一。過剛則材料浪費，過柔則工程安全性難以保證。將承臺、樁基作為整體建下部結構基礎計算模型，輸入樁基土層參數，以中風化巖面為固結點，按m法進行計算，各土層m值偏保守取規范上限，計算下部結構整體剛度。為了驗證全橋結構受力體系的合理性，確保主體結構安全，利用大型有限元軟件Midas建全橋結構模型進行計算分析。承臺底以上各構件按實際斷面輸入；拱結構采用空間梁格法模擬；立柱與橋面板間鉸接；橋面板在計算中只考慮其剛度，其重量以荷載形式計入；體外預應力錨固于橋臺臺帽上，中間聯體外預應力錨固于第五跨及第七跨拱頂橫梁上；橋臺剛度取臺

11、帽、前墻與肋板組成的實體等效剛度進行模擬；橋臺與橋墩承臺底采用下部結構剛度計算結果，設彈性固結約束。圖5 全橋計算模型在恒載+1/2活載作用下，當不設體外預應力時橋梁各墩臺水平反力結果如下表所示（向右為正；單位KN）：0號臺1號墩2號墩3號墩4號墩5號墩2233 208 52 58 193 351 在恒載+1/2活載作用下，設三道體外預應力后橋梁各墩臺水平反力結果如下表所示（向右為正；單位KN）：0號臺1號墩2號墩3號墩4號墩5號墩332 -184 -80 -7 -44 143 注： 6號墩11號臺的水平力與0號臺5號墩的水平力對稱。由以上結論可以看出：1、橋臺間張拉兩束9根s15.20高強度

12、低松弛環氧噴涂體外預應力鋼絞線可以基本與橋臺處所承受的恒載+1/2活載下水平推力相平衡，同時對拱腳受力狀態有較好的改善。2、5號墩及6號墩間存在較大不平衡水平力，因此在第5跨及第7跨拱頂橫梁間張拉兩束3根s15.20高強度低松弛環氧噴涂體外預應力鋼絞線，不但可以削減5號墩、6號墩的水平力，而且相鄰的號墩和7號墩的水平力也可以大大減小。3、在第5、7跨拱頂張拉體外預應力將改變拱結構的受力狀態，本工程中，錨固跨局部拱肋內力增大，中間跨拱肋受力可得到改善，故增加體外預應力時應綜合考慮下部結構及拱肋受力滿足要求。圖6 無中間聯體外預應力時中間五跨拱肋彎矩圖圖7 張拉中間聯體外預應力時中間五跨拱肋彎矩圖

13、4.2橋臺抗推解決方案比選橋臺處承臺底為粉質粘土層且層深較厚，因此設計中對橋臺處的構造進行了多方案綜合比選。方案一：采用群樁基礎橋臺+摩阻板的方式。方案二：參照飛鳥拱的設計思路在拱橋邊跨之后增加半跨，兩側半跨的拱頂采用預應力連接，將上部拱結構形成自平衡體系，橋臺基礎與上部結構受力分開，僅承受豎向力與臺后土壓力。方案三：在兩側橋臺底的承臺上張拉體外預應力，這也是軟弱地質狀況下，在流速較小且不通航的河道上建造上承式拱橋的一種常用處理方式。方案四：將體外預應力錨于兩側臺帽上，中間置于預制橋面板下方，穿越各跨拱頂解決橋臺處水平推力。綜合比較以上幾種方案在本工程中的適應性得出以下結論：方案一通過群樁基礎

14、及摩阻板的抗滑作用共同抵御橋臺水平力，當土質較差且水平力較大時，橋臺處不但會引起開挖量大而且軟弱地基在水平力作用下產生的蠕變是難以量化和控制的；由于項目特殊性，本橋陸域側橋臺后可開挖利用的場地不足，因此該方案實現困難。方案二與項目前期確定的橋型景觀效果差異性較大，如果允許將景觀方案略加調整，則該結構處理方案仍不失為一個解決橋臺水平推力的好思路。方案三設置的體外預應力的置于拱腳位置下方，可以避免對橋臺形成較大彎矩，但體外預應力設于水下，實際施工難度較大，且放樣后發現體外預應力鋼束難置于河床地面線以下，因此其防腐及防撞處理均比較困難，在該工程實例中不適宜采納。方案四的體外預應力需在主體拱結構結構完

15、成后落架前進行張拉，同時對橋臺錨固處將產生較大的彎矩，采用此方案必須對橋臺構造慎重。4.3橋臺設計計算原則通過上述各方案比選，并針對本橋所處的橋位環境及結構體系，方案四是相對適宜的處理方案，在下一步的設計過程中需對橋臺的構造及計算格外注意。橋臺在體外預應力及拱腳推力作用下的設計方案必須滿足以下條件：1. 最不利荷載作用下橋臺群樁基礎不得出現負反力，恒載條件下群樁基礎樁底反力盡量均勻。2.除對臺帽、前墻、肋板突變點進行抗彎、抗剪承載能力及正常使用狀態下驗算外，條件允許前提下，盡量增大三者形成的組合抗彎剛度，以減小由于錨固點變形引起的體外預應力損失。3.橋臺群樁基礎的布置應可承擔交變荷載產生的水平

16、力，此外盡量滿足橋臺基礎在短暫狀態下，可承擔裸拱結構的拱腳水平推力承載力。圖8 張拉中間聯體外預應力時中間五跨拱肋彎矩圖5.施工方案根據制動墩的設置全橋共分為三聯進行施工。拱肋支架現澆的順序可根據現場情況從中間或兩邊聯開始。支架施工第一聯混凝土拱肋及立柱，完成第二聯拱肋基礎支架施工第二聯混凝土拱肋及立柱，拆除第一聯拱肋支架，完成第三聯拱肋基礎完成全橋拱肋混凝土澆注后，拆除剩余支架，張拉部分橋臺間體外預應力鋼束搭設橋面預制板，張拉剩余體外預應力鋼束，施工二期鋪裝等附屬結構，全橋完工圖 拱肋施工順序圖6.結語多跨連拱橋是一種景觀效果較好的橋型，但該類橋型拱腳推力大，在軟弱地質條件下建成的案例并不多見，文中以軟弱地質條件下建設的一座十一跨連拱橋為例，提出該類拱橋設計的常見問題及解決思路，如：上部板梁應與主體拱肋結構鉸接以釋放溫度應力，設置制動墩以方便施工，通過設置體外預應力的方式解決橋墩、橋臺拱腳處不平衡推力，并針對該橋體外預應力的設計方案提出相應橋臺設計的