十一跨連拱橋設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上多 跨 連 拱 橋 設(shè) 計(jì) 研 究 任國(guó)紅 李海軍（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司 ）摘要：多跨連拱橋韻律感強(qiáng)烈，造型優(yōu)美，本文以軟弱地質(zhì)條件下建造的十一跨鋼筋混凝土連拱橋?yàn)槔?，剖析該類多跨連拱橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，提出了采用體外預(yù)應(yīng)力解決墩臺(tái)拱腳間的不平衡推力的解決方案，并通過(guò)設(shè)置制動(dòng)墩將拱橋分聯(lián)以解決施工期間分次落架的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：上承式拱橋；體外預(yù)應(yīng)力；連拱橋；制動(dòng)墩； 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：0引言近年來(lái)，城市橋梁景觀要求日益提高，多跨連拱橋韻律感強(qiáng)烈，造型優(yōu)美具有較強(qiáng)的景觀性，該類橋型在國(guó)內(nèi)地質(zhì)條件較好的地域并不乏見(jiàn)，但由于上承式

2、拱橋拱腳水平推力較大，在軟弱地質(zhì)條件下如何解決該推力成為該類橋型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。作者介紹的十一跨連拱橋坐落于景色優(yōu)美的余姚四明湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)，本文以該工程作為項(xiàng)目依托，從結(jié)構(gòu)受力角度對(duì)連拱橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列的剖析，為后續(xù)該類橋梁的設(shè)計(jì)開(kāi)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(jié)構(gòu)形式為十一跨上承式連續(xù)拱橋，主拱采用矩形拱肋，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(yù)制鋼筋混凝土橋面板結(jié)構(gòu)，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(shí)腹拱。本橋全長(zhǎng)351m，橋?qū)?.5m，設(shè)計(jì)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(guò)拱圈韻律的變化體現(xiàn)拱橋的美，形成既統(tǒng)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(fēng)格與江南水鄉(xiāng)山青水秀的氣氛非常吻合，橋梁的造型富有藝術(shù)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(shì)。橋梁場(chǎng)址屬浙東盆地低山區(qū)和浙北平原區(qū)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(chǎng)地地基土主要有4個(gè)地質(zhì)層，分別為層雜填土、層粉質(zhì)粘土、層粗砂、1全風(fēng)化花崗巖、2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖

4、、3中風(fēng)化花崗巖。層粉質(zhì)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(fēng)化花崗巖層頂標(biāo)高處于-10.15.8m。通過(guò)以上地質(zhì)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(tái)基礎(chǔ)均采用承臺(tái)+群樁的組合式基礎(chǔ)，樁基采用嵌巖樁，樁底標(biāo)高根據(jù)實(shí)際鉆孔情況以進(jìn)入3層中風(fēng)化花崗巖不小于2倍樁徑控制。2. 橋梁結(jié)構(gòu)方案構(gòu)思2.1體系構(gòu)思多跨連拱橋當(dāng)一孔橋梁加載受力時(shí)，加載孔和相鄰孔橋墩及孔跨都將產(chǎn)生變形，即通常設(shè)計(jì)時(shí)所碰到的“連拱效應(yīng)”。本橋在整座橋梁中，以樁基、承臺(tái)、拱座形成下部結(jié)構(gòu)聯(lián)合剛度，上部結(jié)構(gòu)剛度則主要為拱肋自身剛度，根據(jù)上、下部剛度比分配外荷載產(chǎn)生的

5、水平推力?？紤]施工中的實(shí)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(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置制動(dòng)墩將拱橋分聯(lián)，通過(guò)設(shè)置制動(dòng)墩不但方便施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拱橋的分批落架，而且也有利于減弱拱橋相鄰聯(lián)間的效應(yīng)，防止運(yùn)營(yíng)期間因一孔意外破壞而引起全橋的垮塌。本橋設(shè)計(jì)中將4號(hào)墩及7號(hào)墩承臺(tái)加厚，設(shè)置為制動(dòng)墩，并以此為界將全橋結(jié)構(gòu)分為三聯(lián)。連拱橋中橋墩處的水平力多數(shù)可由兩側(cè)拱橋產(chǎn)生的水平推力抵消，但橋臺(tái)處的水平推力需根據(jù)地質(zhì)條件慎重解決，如果橋臺(tái)處地質(zhì)條件較好，巖面裸露，可考慮加大橋臺(tái)重量，由橋臺(tái)基地摩擦力承擔(dān)；但在軟弱地基上，橋臺(tái)處則必須采用群樁基礎(chǔ)尋找持力層，樁基礎(chǔ)的設(shè)置又會(huì)造成承臺(tái)基底的摩擦力的減弱乃至消失，

6、水平推力轉(zhuǎn)移到群樁基礎(chǔ)上承擔(dān)，群樁基礎(chǔ)可承擔(dān)的水平力有限，因此在設(shè)計(jì)中考慮在兩岸橋臺(tái)間增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力，將橋臺(tái)處恒載產(chǎn)生的水平力抵消，橋臺(tái)群樁僅承受活載、溫度等交變荷載以及若干年后體外預(yù)應(yīng)力更換時(shí)產(chǎn)生的水平推力。2.2構(gòu)件設(shè)計(jì)構(gòu)思上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以拱肋為主承力構(gòu)件，拱肋上現(xiàn)澆立柱，為避免體系升、降溫對(duì)上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間產(chǎn)生破壞作用，預(yù)制橋面板與立柱間采用支座鉸接，各構(gòu)件間形成靜定體系；下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受施工條件及造價(jià)限制，且當(dāng)今下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益趨于輕型化，橋墩宜采用高樁承臺(tái)方案，群樁基礎(chǔ)。圖2 橋梁立面布置圖圖3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖3. 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)3.1下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全橋十一跨連拱橋，共設(shè)10個(gè)橋墩，其

7、中制動(dòng)墩2個(gè)，非制動(dòng)墩8個(gè)，高樁承臺(tái)采用圓端形減小流水阻力，考慮景觀效果需要，非制動(dòng)墩與制動(dòng)墩平面尺寸一致，僅高度有區(qū)別，非制動(dòng)墩處承臺(tái)厚度1.8m，制動(dòng)墩處承臺(tái)厚度4.8m，承臺(tái)底設(shè)八根梅花樁布置為群樁基礎(chǔ)；其中制動(dòng)墩承臺(tái)厚度的確定原則為：成橋恒載作用下，單聯(lián)拱肋對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力及彎矩不引起承臺(tái)底樁基出現(xiàn)負(fù)反力。橋臺(tái)處采用樁基+肋板式橋臺(tái)，體外預(yù)應(yīng)力鋼束錨于臺(tái)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(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩，承臺(tái)尾部加長(zhǎng)設(shè)混凝土砌塊壓重，平衡體外預(yù)應(yīng)力對(duì)橋臺(tái)產(chǎn)生的巨大彎矩，采用群樁基礎(chǔ)，樁徑1m嵌入中風(fēng)化巖不小于2 m。圖4 橋臺(tái)立面布置圖3.

8、2上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全橋縱向共有11跨主拱肋，主拱圈采用肋拱+橫系梁的結(jié)構(gòu)形式，主拱肋高度1m，寬度0.55m，橫橋向設(shè)4榀，拱肋根部設(shè)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(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)。立柱根據(jù)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(shè)柱腳，柱頂設(shè)柱帽，柱帽下設(shè)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(shè)體外預(yù)應(yīng)力鋼束導(dǎo)向管。橋面板與立柱間采用支座鉸接，根據(jù)跨徑及劃分間距不同分為4.5m與5m兩種，橫橋向設(shè)兩塊橋面板，每塊預(yù)制橋面板寬3.5m，中間設(shè)1.5m現(xiàn)澆帶

9、；每塊橋面板設(shè)兩根主縱梁，通過(guò)主縱梁高度不同調(diào)整橋面橫坡。3.3體外預(yù)應(yīng)力鋼束全橋共設(shè)3道體外預(yù)應(yīng)力鋼束，其中兩道為全橋通長(zhǎng)束，錨于兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)帽上，在每跨拱頂橫梁中預(yù)埋導(dǎo)向管轉(zhuǎn)向，其余A、B型立柱系梁上設(shè)定位減震裝置用于體外預(yù)應(yīng)力的定位與減震；此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，在第五孔及第七孔拱頂設(shè)一道體外預(yù)應(yīng)力，錨于拱頂立柱橫梁上。4. 設(shè)計(jì)及計(jì)算難點(diǎn)處理4.1全橋結(jié)構(gòu)分析根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)定性分析可知，下部結(jié)構(gòu)越剛性，則相鄰拱間不平衡水平推力越大，拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力越大；反之，下部結(jié)構(gòu)越柔，產(chǎn)生的不平衡推力及拱的內(nèi)力越小，而下部結(jié)構(gòu)組合剛度主要由拱座承臺(tái)剛度及群樁基礎(chǔ)剛度并聯(lián)得出，而群樁基礎(chǔ)剛度則與樁位處的地質(zhì)狀

10、況有很大關(guān)聯(lián)。因此，準(zhǔn)確模擬下部結(jié)構(gòu)剛度以滿足工程設(shè)計(jì)的要求是本橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。過(guò)剛則材料浪費(fèi)，過(guò)柔則工程安全性難以保證。將承臺(tái)、樁基作為整體建下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計(jì)算模型，輸入樁基土層參數(shù)，以中風(fēng)化巖面為固結(jié)點(diǎn)，按m法進(jìn)行計(jì)算，各土層m值偏保守取規(guī)范上限，計(jì)算下部結(jié)構(gòu)整體剛度。為了驗(yàn)證全橋結(jié)構(gòu)受力體系的合理性，確保主體結(jié)構(gòu)安全，利用大型有限元軟件Midas建全橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。承臺(tái)底以上各構(gòu)件按實(shí)際斷面輸入；拱結(jié)構(gòu)采用空間梁格法模擬；立柱與橋面板間鉸接；橋面板在計(jì)算中只考慮其剛度，其重量以荷載形式計(jì)入；體外預(yù)應(yīng)力錨固于橋臺(tái)臺(tái)帽上，中間聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力錨固于第五跨及第七跨拱頂橫梁上；橋臺(tái)剛度取臺(tái)

11、帽、前墻與肋板組成的實(shí)體等效剛度進(jìn)行模擬；橋臺(tái)與橋墩承臺(tái)底采用下部結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算結(jié)果，設(shè)彈性固結(jié)約束。圖5 全橋計(jì)算模型在恒載+1/2活載作用下，當(dāng)不設(shè)體外預(yù)應(yīng)力時(shí)橋梁各墩臺(tái)水平反力結(jié)果如下表所示（向右為正；單位KN）：0號(hào)臺(tái)1號(hào)墩2號(hào)墩3號(hào)墩4號(hào)墩5號(hào)墩2233 208 52 58 193 351 在恒載+1/2活載作用下，設(shè)三道體外預(yù)應(yīng)力后橋梁各墩臺(tái)水平反力結(jié)果如下表所示（向右為正；單位KN）：0號(hào)臺(tái)1號(hào)墩2號(hào)墩3號(hào)墩4號(hào)墩5號(hào)墩332 -184 -80 -7 -44 143 注： 6號(hào)墩11號(hào)臺(tái)的水平力與0號(hào)臺(tái)5號(hào)墩的水平力對(duì)稱。由以上結(jié)論可以看出：1、橋臺(tái)間張拉兩束9根s15.20高強(qiáng)度

12、低松弛環(huán)氧噴涂體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線可以基本與橋臺(tái)處所承受的恒載+1/2活載下水平推力相平衡，同時(shí)對(duì)拱腳受力狀態(tài)有較好的改善。2、5號(hào)墩及6號(hào)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(qiáng)度低松弛環(huán)氧噴涂體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線，不但可以削減5號(hào)墩、6號(hào)墩的水平力，而且相鄰的號(hào)墩和7號(hào)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(yù)應(yīng)力將改變拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，本工程中，錨固跨局部拱肋內(nèi)力增大，中間跨拱肋受力可得到改善，故增加體外預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)綜合考慮下部結(jié)構(gòu)及拱肋受力滿足要求。圖6 無(wú)中間聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力時(shí)中間五跨拱肋彎矩圖圖7 張拉中間聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力時(shí)中間五跨拱肋彎矩圖

13、4.2橋臺(tái)抗推解決方案比選橋臺(tái)處承臺(tái)底為粉質(zhì)粘土層且層深較厚，因此設(shè)計(jì)中對(duì)橋臺(tái)處的構(gòu)造進(jìn)行了多方案綜合比選。方案一：采用群樁基礎(chǔ)橋臺(tái)+摩阻板的方式。方案二：參照飛鳥(niǎo)拱的設(shè)計(jì)思路在拱橋邊跨之后增加半跨，兩側(cè)半跨的拱頂采用預(yù)應(yīng)力連接，將上部拱結(jié)構(gòu)形成自平衡體系，橋臺(tái)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)受力分開(kāi)，僅承受豎向力與臺(tái)后土壓力。方案三：在兩側(cè)橋臺(tái)底的承臺(tái)上張拉體外預(yù)應(yīng)力，這也是軟弱地質(zhì)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(yù)應(yīng)力錨于兩側(cè)臺(tái)帽上，中間置于預(yù)制橋面板下方，穿越各跨拱頂解決橋臺(tái)處水平推力。綜合比較以上幾種方案在本工程中的適應(yīng)性得出以下結(jié)論：方案一通過(guò)群樁基礎(chǔ)

14、及摩阻板的抗滑作用共同抵御橋臺(tái)水平力，當(dāng)土質(zhì)較差且水平力較大時(shí)，橋臺(tái)處不但會(huì)引起開(kāi)挖量大而且軟弱地基在水平力作用下產(chǎn)生的蠕變是難以量化和控制的；由于項(xiàng)目特殊性，本橋陸域側(cè)橋臺(tái)后可開(kāi)挖利用的場(chǎng)地不足，因此該方案實(shí)現(xiàn)困難。方案二與項(xiàng)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(diào)整，則該結(jié)構(gòu)處理方案仍不失為一個(gè)解決橋臺(tái)水平推力的好思路。方案三設(shè)置的體外預(yù)應(yīng)力的置于拱腳位置下方，可以避免對(duì)橋臺(tái)形成較大彎矩，但體外預(yù)應(yīng)力設(shè)于水下，實(shí)際施工難度較大，且放樣后發(fā)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)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(shí)例中不適宜采納。方案四的體外預(yù)應(yīng)力需在主體拱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)完

15、成后落架前進(jìn)行張拉，同時(shí)對(duì)橋臺(tái)錨固處將產(chǎn)生較大的彎矩，采用此方案必須對(duì)橋臺(tái)構(gòu)造慎重。4.3橋臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算原則通過(guò)上述各方案比選，并針對(duì)本橋所處的橋位環(huán)境及結(jié)構(gòu)體系，方案四是相對(duì)適宜的處理方案，在下一步的設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)橋臺(tái)的構(gòu)造及計(jì)算格外注意。橋臺(tái)在體外預(yù)應(yīng)力及拱腳推力作用下的設(shè)計(jì)方案必須滿足以下條件：1. 最不利荷載作用下橋臺(tái)群樁基礎(chǔ)不得出現(xiàn)負(fù)反力，恒載條件下群樁基礎(chǔ)樁底反力盡量均勻。2.除對(duì)臺(tái)帽、前墻、肋板突變點(diǎn)進(jìn)行抗彎、抗剪承載能力及正常使用狀態(tài)下驗(yàn)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(diǎn)變形引起的體外預(yù)應(yīng)力損失。3.橋臺(tái)群樁基礎(chǔ)的布置應(yīng)可承擔(dān)交變荷載產(chǎn)生的水平

16、力，此外盡量滿足橋臺(tái)基礎(chǔ)在短暫狀態(tài)下，可承擔(dān)裸拱結(jié)構(gòu)的拱腳水平推力承載力。圖8 張拉中間聯(lián)體外預(yù)應(yīng)力時(shí)中間五跨拱肋彎矩圖5.施工方案根據(jù)制動(dòng)墩的設(shè)置全橋共分為三聯(lián)進(jìn)行施工。拱肋支架現(xiàn)澆的順序可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況從中間或兩邊聯(lián)開(kāi)始。支架施工第一聯(lián)混凝土拱肋及立柱，完成第二聯(lián)拱肋基礎(chǔ)支架施工第二聯(lián)混凝土拱肋及立柱，拆除第一聯(lián)拱肋支架，完成第三聯(lián)拱肋基礎(chǔ)完成全橋拱肋混凝土澆注后，拆除剩余支架，張拉部分橋臺(tái)間體外預(yù)應(yīng)力鋼束搭設(shè)橋面預(yù)制板，張拉剩余體外預(yù)應(yīng)力鋼束，施工二期鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)，全橋完工圖 拱肋施工順序圖6.結(jié)語(yǔ)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(zhì)條件下建成的案例并不多見(jiàn)，文中以軟弱地質(zhì)條件下建設(shè)的一座十一跨連拱橋?yàn)槔?，提出該類拱橋設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題及解決思路，如：上部板梁應(yīng)與主體拱肋結(jié)構(gòu)鉸接以釋放溫度應(yīng)力，設(shè)置制動(dòng)墩以方便施工，通過(guò)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力的方式解決橋墩、橋臺(tái)拱腳處不平衡推力，并針對(duì)該橋體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)方案提出相應(yīng)橋臺(tái)設(shè)計(jì)的