坦拱橋設(shè)計(jì)問(wèn)題初探

黃興波

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)城市中橋梁的景觀要求越來(lái)越高，橋梁已不僅僅是跨越河流的建筑，而成為了城市中的一道風(fēng)景。由于城市中的河流大多較窄，且主要功能為排洪，因此拱橋以其線條流暢，造型優(yōu)美而被廣泛采用。又由于市內(nèi)非機(jī)動(dòng)車眾多，道路縱坡度不能過(guò)大，因此坦拱橋成為首要選擇的橋型。始建于隋代的趙州橋，以其精美的造型，巧妙的設(shè)計(jì)一直使用至今，為世界橋梁史上之首創(chuàng)，被稱為“坦拱橋之祖”。

本文結(jié)合工程實(shí)例，闡述了在坦拱橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題及相應(yīng)的解決方法。

1 工程概況

龍亭橋位于江蘇省溧陽(yáng)市，跨越灣溪河，河口寬約25 m，為城市排洪河道，無(wú)通航要求。

1)設(shè)計(jì)荷載:公路—Ⅰ級(jí)，人群荷載3．5 kN/m2。2)設(shè)計(jì)車速:40 km/h。3)橋型布置:道路中心線與河流中心線交角為96°(右偏角)，主拱為空腹式鋼筋混凝土板拱，凈跨徑為25．14 m，斜橋斜做。橋型布置如圖1所示。4)拱圈設(shè)計(jì)參數(shù):主拱凈跨徑為25．14 m，凈矢高4 m，拱圈厚50 cm;主拱上設(shè)兩腹拱，凈跨徑為3 m，凈矢跨比為1/5，拱圈厚15 cm。橋梁全長(zhǎng)50．54 m，橫橋向按功能斷面分為人行道、非機(jī)動(dòng)車道及機(jī)動(dòng)車道，采用整幅斷面，全寬30 m(見(jiàn)圖2)。

圖1 橋型布置示意圖

圖2 橫橋向斷面圖

2 地質(zhì)狀況

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，勘探深度內(nèi)(地表下34．50 m以淺)揭露的巖土體為第四系全新統(tǒng)(Q4)及上更新統(tǒng)(Q3)松散沉積物，具層狀分布特征，主要由粘性土組成;下伏為第三紀(jì)上新統(tǒng)(N2)泥巖。

根據(jù)鉆探野外觀察、原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)成果，可分為10個(gè)工程地質(zhì)層:①-1層為素填土;③層為粘土;④層～⑧層為粉質(zhì)粘土;⑨層為粉質(zhì)粘土;⑩層為泥巖，紫紅色為主，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部為砂質(zhì)泥巖，巖芯呈短柱狀～長(zhǎng)柱狀，錘擊聲啞易碎，易吸水軟化、崩解，巖石堅(jiān)硬程度分類為極軟巖類，巖體基本質(zhì)量等級(jí)分類為Ⅴ級(jí)，屬極低強(qiáng)度巖石地基，未揭穿，控制厚度4．50 m～9．40 m。樁基設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1?？碧缴疃葍?nèi)各巖土層分布相對(duì)欠穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)不良工程地質(zhì)作用，適宜于本工程建設(shè)。根據(jù)公路橋梁抗震規(guī)范判定，本場(chǎng)地內(nèi)20 m以淺無(wú)地震液化土層分布，⑩層巖土可用作鉆孔灌注樁基礎(chǔ)持力層。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用平面桿系有限元軟件，建立拱橋模型，拱圈按實(shí)際截面建模，橫墻及腹拱按集中力施加，填料及鋪裝等二期恒載按均布荷載施加，基礎(chǔ)按規(guī)范模擬為一個(gè)柱底固結(jié)的框架。

本橋?yàn)闊o(wú)鉸拱結(jié)構(gòu)，由于矢跨比較小，上部結(jié)構(gòu)荷載較重，因此拱腳內(nèi)力較大，經(jīng)計(jì)算拱腳軸力為21 500 kN，設(shè)計(jì)采用雙排樁基礎(chǔ)，以⑩泥巖為樁基礎(chǔ)持力層。

臺(tái)后填土高6．8 m，因拱腳水平推力較大，僅靠雙排樁基抗彎無(wú)法滿足要求，因此臺(tái)后設(shè)置8 m長(zhǎng)臺(tái)階形阻滑板，板上設(shè)置側(cè)墻，側(cè)墻間填筑碎石土，依靠臺(tái)后主動(dòng)土壓力及阻滑板摩阻力來(lái)平衡拱腳水平推力。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表 kPa

4 施工步驟

1)因橋梁跨徑不大，水深較淺，故主拱圈施工采用滿堂支架整體現(xiàn)澆。承臺(tái)一次澆筑，預(yù)留與拱腳相接部分，待主拱圈鋼筋布置完畢后一起現(xiàn)澆。主拱圈澆筑時(shí)從拱腳開(kāi)始，逐漸向拱頂平衡推進(jìn)，并控制好時(shí)間，應(yīng)在當(dāng)日氣溫最低時(shí)封拱。待主拱圈合龍并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%以上時(shí)，現(xiàn)澆橫墻及腹拱圈，待腹拱圈達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%以上時(shí)，進(jìn)行拱上建筑的施工。

2)支架須預(yù)壓，預(yù)壓超載系數(shù)為1．1，加載至少7 d，最后3 d沉降曲線起平后且不大于1 mm/d時(shí)進(jìn)行卸載。

3)側(cè)墻待拱圈成型后立?，F(xiàn)澆，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工單位技術(shù)實(shí)力及取材難易，將拱上填料由固化粉煤灰調(diào)整為素混凝土。

4)先施工橋臺(tái)后座，再進(jìn)行臺(tái)后填土，然后施工拱上填料，同一時(shí)刻臺(tái)后填土標(biāo)高不得低于拱上填料標(biāo)高。

5)橋頭設(shè)置兩道2 cm無(wú)縫伸縮縫，其縫內(nèi)填料用鋸末屑與瀝青按1∶1比例制成預(yù)制板，在施工時(shí)嵌入，并在上緣設(shè)置能活動(dòng)而不透水的覆蓋層，橋臺(tái)后座與側(cè)墻之間設(shè)置變形縫，變形縫不留縫寬，采用油毛氈隔開(kāi)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)拱橋矢跨比較小時(shí)，拱腳水平推力過(guò)大，采用傳統(tǒng)的雙排樁基礎(chǔ)已無(wú)法滿足要求，此時(shí)可在橋臺(tái)后設(shè)置臺(tái)階式阻滑板，同時(shí)考慮臺(tái)后主動(dòng)土壓力的作用，可滿足橋臺(tái)抗滑要求。本橋已建成通車一年多，使用良好。

［1］ 萬(wàn)虹宇，鄔剛?cè)幔罂鐝焦皹蚬拜S線參數(shù)對(duì)幾何非線性影響研究［J］．山西建筑，2010，36(22):345-346．