鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋設(shè)計

■殷桂芳 王 健

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

1 項目概況

1.1 工程背景

鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋在重慶江津至貴州習(xí)水高速公路設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。該工程起于渝瀘高速刁家互通附近，止于渝黔界東勝鎮(zhèn)附近與貴州相接。鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋與山區(qū)景色融為一體，方便了高速公路兩側(cè)居民的日常通行。

圖1 雙圓弧拱人行天橋照片

1.2 技術(shù)標準

(1)設(shè)計荷載：人群荷載3.5kN/m2。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期：100年。

(3)地震設(shè)防：本地區(qū)場地地震動加速度峰值為0.05g，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防措施等級為7級。

(4)橋涵所處環(huán)境類別：Ⅰ類。

(5)橋面寬度：橋面凈寬3.0m，橋梁全寬3.5m。

(6)通行凈空；高速公路≥5.5m。

(7)結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級：一級。

(8)高程系統(tǒng)：采用1985國家高程基準。

(9)坐標系統(tǒng)：采用1980西安坐標系，中央子午線106°10′，投影抵償高 350m。

1.3 橋型布置

人行天橋上跨主線，采用凈跨徑1-40m鋼筋混凝土雙圓弧拱，橋梁全長為47.26m，橋?qū)?.5m。橋臺采用鋼筋混凝土拱座、C25片石混凝土擴大基礎(chǔ)。

圖2 橋型圖立面（cm）

圖3 橋型圖平面(cm)

2 結(jié)構(gòu)選擇

2.1 上部結(jié)構(gòu)

主拱圈采用雙圓弧鋼筋混凝土拱，上拱圈拱頂采用半徑為103.10m的鋼筋混凝土拱，拱圈為3.5m寬的C40鋼筋混凝土實心截面，下拱圈拱底采用半徑為42.50m的鋼筋混凝土拱，拱圈為2.0m寬的C40鋼筋混凝土實心矩形截面。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

橋臺采用鋼筋混凝土拱座、擴大基礎(chǔ)，必須嵌入邊坡中風化巖體內(nèi)，要求巖層基本容許承載力 [σ0]不小于600kPa，且臺身必須與巖體抵緊以平衡拱腳水平推力。橋臺為重力式臺、擴大基礎(chǔ)。拱座采用C30混凝土，橋臺基礎(chǔ)采用C25片石混凝土。

工程場地地震動加速度峰值為≤0.05g，對應(yīng)地震基本烈度為VI度，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防措施等級為7級，橋臺尺寸滿足《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02-01-2008)第11.2條要求。

圖4 上部結(jié)構(gòu)橫斷面(cm)

圖5 主拱圈立面圖(cm)

圖6 拱座、基礎(chǔ)立面圖（cm）

圖7 拱座、基礎(chǔ)側(cè)面圖（cm）

2.3 附屬

橋臺拱座后塞2cm厚輕質(zhì)泡沫板，并回填C25片石混凝土，挖方梯步兩側(cè)設(shè)置M5漿砌片石護面墻?；A(chǔ)開挖施工時，應(yīng)注意防排水，墩臺處開挖形成的人工邊坡應(yīng)采取必要的支護措施。

圖8 橋臺開挖示意圖

圖9 挖方梯步立面圖

圖10 挖方梯步斷面圖

主線行車道正上方40m范圍的人行道設(shè)置欄桿網(wǎng)，其余部分設(shè)欄桿，防落物網(wǎng)高度1.8m，欄桿高度1m。橋面鋪裝采用C50防水混凝土，厚度為10cm。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 計算軟件

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件 “橋梁博士系統(tǒng) V3.2”進行靜力計算分析。鋼筋混凝土拱圈按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計，計算中考慮了各個施工階段和最終運營階段的最不利組合，計入了收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力重分布。

3.2 計算參數(shù)選取

(1)一期恒載 q1：拱圈重力密度取 γ=26kN/m3。

(2)二期恒載 q2：

100mmC50混凝土，重力密度取γ=26kN/m3，欄桿網(wǎng)8.06kN/m。

q2=3×0.1×1×26+8.06=15.9kN/m

(3)人群荷載：人群集度3.5kN/m2。

(4)地基及基礎(chǔ)不均勻沉降：3mm。

(5)拱圈升溫、降溫及溫度梯度均按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60—2015)4.3.12取值。

(6)最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm。

3.3 計算結(jié)果分析

(1)模型建立

拱肋、拱座和基礎(chǔ)采用梁單元模擬，基礎(chǔ)底邊界條件通過輸入彈性系數(shù)進行模擬。橋博模型如下圖11所示：

圖11 橋博三維模型圖

(2)計算結(jié)果分析

①正截面抗彎強度驗算

圖12～13分別為基本組合下拱圈最大彎矩及其對應(yīng)的抗力，最小彎矩及其對應(yīng)的抗力。

圖12 拱圈最大抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖

圖13 拱圈最小抗力及抗力對應(yīng)內(nèi)力圖

由上圖可見，承載能力極限狀態(tài)下拱圈的正截面抗彎強度滿足要求。

②拱圈上下緣裂縫寬度驗算

圖14～15分別為拱圈上下緣裂縫寬度計算結(jié)果：

圖14 拱圈上緣裂縫圖

圖15 拱圈下緣裂縫圖

圖16 基礎(chǔ)抗傾覆驗算圖

拱圈上下緣裂縫寬度不超過0.2mm，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》表6.4.2要求。

③擴大基礎(chǔ)抗傾覆驗算

利用橋梁博士基礎(chǔ)計算模塊，對橋臺擴大基礎(chǔ)進行抗傾覆驗算。

基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)＞1.3，基礎(chǔ)抗滑動穩(wěn)定系數(shù)＞1.2，滿足《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》4.4.3要求。

4 施工工藝

從施工角度看，山區(qū)的交通不發(fā)達，大型起吊設(shè)備進出場費用過高或進場困難，采用纜索吊裝施工有一定的難度，所以滿堂支架現(xiàn)場澆注施工成為一個較好的施工手段。

4.1 主拱圈施工

(1)主拱圈采用滿堂支架現(xiàn)場澆注施工，澆注混凝土前對支架進行等載預(yù)壓，以消除支架的非彈性變形，預(yù)壓期不小于7d，連續(xù)3d沉降觀測累計不大于3mm。支架基礎(chǔ)必須進行加固以減小施工過程中的沉降量，滿足施工規(guī)范要求。拱肋外模板采用大塊鋼模板。鋼模板初次使用時應(yīng)將與混凝土接觸面上的銹跡清除干凈。不得采用對混凝土表面有污染、對混凝土有腐蝕的材料代替脫模劑。應(yīng)嚴格控制各梁段斷面尺寸。

(2)主拱圈施工采用整體一次現(xiàn)澆、一次落架的施工方法。

圖17 主拱圈滿堂支架現(xiàn)場施工圖

(3)拱上結(jié)構(gòu)施工應(yīng)在主拱圈達到設(shè)計強度的90%后方能進行，并要求對稱澆筑。等主拱圈和拱上建筑混凝土強度達到設(shè)計強度后方能拆除支架。支架拆除嚴格遵照施工規(guī)范要求。

(4)每階段均要進行施工觀測，控制主拱圈的變形。

4.2 基礎(chǔ)和拱座施工

(1)基礎(chǔ)施工

橋臺采用C25片石混凝土擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為中風化泥巖，基礎(chǔ)具體施工工藝如下：

①橋位及基礎(chǔ)放樣，用全站儀測量橋位定位，并對基坑放樣，根據(jù)設(shè)計圖所示，基坑邊坡按1∶1放坡定開挖邊線。

②基坑開挖，土層采用人工開挖，石方采用風鎬和淺眼爆破施工。當基坑開挖距基底設(shè)計標高30cm時，采用風鎬開挖，人工鑿除清底至設(shè)計高程。

③當基坑開挖至設(shè)計標高后，進行基礎(chǔ)定位放樣，放樣尺寸比基礎(chǔ)尺寸寬50cm，保證基礎(chǔ)立模位置，放樣后如發(fā)現(xiàn)開挖尺寸不到位，用人工修整到基坑放樣尺寸。

④立基礎(chǔ)模板，模板采用組合鋼模板，外支撐加固模板。

⑤澆注基礎(chǔ)片石混凝土，混凝土由混凝土拌和站生產(chǎn)，混凝土運輸車運送到基坑上方，用滑槽將混凝土滑入基礎(chǔ)模內(nèi)澆注。

(2)拱座施工

拱座主要承受拱橋的拱圈傳遞來的水平推力和拱橋傳遞的壓力，拱座具體施工工藝如下：

①拱座砌筑前先進行施工放樣，砌筑時應(yīng)先兩面立桿掛線或樣板掛線，外面線應(yīng)順直整齊，逐層收坡；砌筑過程中經(jīng)常校正線桿，以保證砌體各部尺寸符合圖紙要求。

②砌體應(yīng)分層坐漿砌筑，砌筑上層時，不振動下層，不在已砌好的砌體上拋擲滾動，翻轉(zhuǎn)和敲擊石塊。

③橋臺拱座后塞2cm厚輕質(zhì)泡沫板，并回填C25片石混凝土。

④拱座采用組合鋼模立模，混凝土由混凝土拌和站生產(chǎn)，混凝土運輸車運送，汽車吊配吊斗澆注。

圖18 橋臺現(xiàn)場施工圖

5 結(jié)語

(1)鋼筋混凝土雙圓弧拱構(gòu)造優(yōu)美，與周邊景色相互輝映。拱橋一孔跨越主線，無需在高速公路中分帶設(shè)置橋墩，既滿足了凈空要求，也方便了附近居民的日常出行。

(2)橋博計算結(jié)果表明：承載能力極限狀態(tài)下拱圈的正截面抗彎強度和裂縫寬度均滿足規(guī)范要求；橋臺擴大基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑動穩(wěn)定系數(shù)同樣滿足規(guī)范要求。

(3)考慮到山區(qū)地形的復(fù)雜性，鋼筋混凝土雙圓弧拱人行天橋的施工工藝相對簡單，且造價較低，既方便了施工又有較好的經(jīng)濟效益。