十一跨连拱桥设计

1多跨连拱桥设计研究任国红李海军（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司200092）摘要：多跨连拱桥韵律感强烈，造型优美，本文以软弱地质条件下建造的十一跨钢筋混凝土连拱桥为例，剖析该类多跨连拱桥的结构受力特点及设计思路，提出了采用体外预应力解决墩台拱脚间的不平衡推力的解决方案，并通过设置制动墩将拱桥分联以解决施工期间分次落架的问题。关键词：上承式拱桥；体外预应力；连拱桥；制动墩；中图分类号：文献标识码：文章编号：0．引言近年来，城市桥梁景观要求日益提高，多跨连拱桥韵律感强烈，造型优美具有较强的景观性，该类桥型在国内地质条件较好的地域并不乏见，但由于上承式拱桥拱脚水平推力较大，在软弱地质条件下如何解决该推力成为该类桥型设计的关键因素。作者介绍的十一跨连拱桥坐落于景色优美的余姚四明湖风景区内，本文以该工程作为项目依托，从结构受力角度对连拱桥的设计进行一系列的剖析，为后续该类桥梁的设计开拓思路。1.工程概况图1桥梁景观效果图本桥是连接陆域与湖心岛间的一座人行桥，上部结构形式为十一跨上承式连续拱桥，主拱采用矩形拱肋，钢筋混凝土结构，拱脚与拱肋刚接，拱上建筑采用钢筋混凝土立柱，桥面系采用预制钢筋混凝土桥面板结构，桥面板与拱上立柱间铰接，拱上建筑部分用用天然石材装饰，形成外观上的古典实腹拱。2本桥全长351m，桥宽8.5m，设计荷载为人群荷载，跨径采用从中孔向边孔矢高与跨径递减的方案，通过拱圈韵律的变化体现拱桥的美，形成既统一又有变化，美寓其中的渐变韵律，拱肋矢跨比分布在1/3.5～1/7之间，全桥跨径布置为：27m+29m+31m+33m+36m+39m+36m+33m+31m+29m+27m=351m。该方案的建筑风格与江南水乡山青水秀的气氛非常吻合，桥梁的造型富有艺术性，仿佛像一条彩虹轻盈地横跨在湖面上，连接岛与岸，颇具虹贯湖水之势。桥梁场址属浙东盆地低山区和浙北平原区交叉地，为中江冲积河谷平原，湖中常水位14.58m，常水位下水深4.5m，场地地基土主要有4个地质层，分别为①层杂填土、②层粉质粘土、③层粗砂、④－1全风化花岗岩、④－2强风化花岗岩、④－3中风化花岗岩。②层粉质粘土层平均厚度3.5～5m，其下③层为粗砂，液化后易形成流砂，④－3中风化花岗岩层顶标高处于-10.1～5.8m。通过以上地质条件可以看出：尽管桥位处有较好的持力层，但埋置较深，其上覆土层较厚，故全桥墩台基础均采用承台+群桩的组合式基础，桩基采用嵌岩桩，桩底标高根据实际钻孔情况以进入④3层中风化花岗岩不小于2倍桩径控制。2.桥梁结构方案构思2.1体系构思多跨连拱桥当一孔桥梁加载受力时，加载孔和相邻孔桥墩及孔跨都将产生变形，即通常设计时所碰到的“连拱效应”。本桥在整座桥梁中，以桩基、承台、拱座形成下部结构联合刚度，上部结构刚度则主要为拱肋自身刚度，根据上、下部刚度比分配外荷载产生的水平推力。考虑施工中的实际情况，十一跨连拱桥一次性全桥落架困难，因此需要选择恰当的位置设置制动墩将拱桥分联，通过设置制动墩不但方便施工过程中实现拱桥的分批落架，而且也有利于减弱拱桥相邻联间的效应，防止运营期间因一孔意外破坏而引起全桥的垮塌。本桥设计中将4号墩及7号墩承台加厚，设置为制动墩，并以此为界将全桥结构分为三联。连拱桥中桥墩处的水平力多数可由两侧拱桥产生的水平推力抵消，但桥台处的水平推力需根据地质条件慎重解决，如果桥台处地质条件较好，岩面裸露，可考虑加大桥台重量，由桥台基地摩擦力承担；但在软弱地基上，桥台处则必须采用群桩基础寻找持力层，桩基础的设置又会造成承台基底的摩擦力的减弱乃至消失，水平推力转移到群桩基础上承担，群桩基础可承担的水平力有限，因此在设计中考虑在两岸桥台间增设体外预应力，将桥台处恒载产生的水平力抵消，桥台群桩仅承受活载、温度等交变荷载以及若干年后体外预应力更换时产生的水平推力。32.2构件设计构思上部结构设计中以拱肋为主承力构件，拱肋上现浇立柱，为避免体系升、降温对上部结构各构件间产生破坏作用，预制桥面板与立柱间采用支座铰接，各构件间形成静定体系；下部结构设计受施工条件及造价限制，且当今下部结构设计日益趋于轻型化，桥墩宜采用高桩承台方案，群桩基础。图2桥梁立面布置图图3桥梁标准断面布置图3.主要构件设计3.1下部结构设计全桥十一跨连拱桥，共设10个桥墩，其中制动墩2个，非制动墩8个，高桩承台采用圆端形减小流水阻力，考虑景观效果需要，非制动墩与制动墩平面尺寸一致，仅高度有区别，非制动墩处承台厚度1.8m，制动墩处承台厚度4.8m，承台底设八根梅花桩布置为群桩基础；其中制动墩承台厚度的确定原则为：成桥恒载作用下，单联拱肋对下部结构产生的水平力及弯矩不引起承台底桩基出现负反力。桥台处采用桩基+肋板式桥台，体外预应力钢束锚于台帽上，与拱脚处恒载下水平推力保持平衡，前墙采用T形断面，与肋板一体承受体外预应力产生的弯矩，承台尾部加长设混4凝土砌块压重，平衡体外预应力对桥台产生的巨大弯矩，采用群桩基础，桩径1m嵌入中风化岩不小于2m。图4桥台立面布置图3.2上部结构设计全桥纵向共有11跨主拱肋，主拱圈采用肋拱+横系梁的结构形式，主拱肋高度1m，宽度0.55m，横桥向设4榀，拱肋根部设钢筋混凝土拱座，拱肋间连接系梁间距控制4.5m～5m之间，与立柱纵桥向间距及板梁长度一一对应。立柱根据高度不同共分3种类型。高度1m为A型立柱，尺寸为0.4mx0.4m，柱底设柱脚，柱顶设柱帽，柱帽下设钢筋混凝土系梁；B型立柱高度1m，柱断面为等截面尺寸；C型为立柱横梁，连接于拱顶，横梁上设体外预应力钢束导向管。桥面板与立柱间采用支座铰接，根据跨径及划分间距不同分为4.5m与5m两种，横桥向设两块桥面板，每块预制桥面板宽3.5m，中间设1.5m现浇带；每块桥面板设两根主纵梁，通过主纵梁高度不同调整桥面横坡。3.3体外预应力钢束全桥共设3道体外预应力钢束，其中两道为全桥通长束，锚于两侧桥台台帽上，在每跨拱顶横梁中预埋导向管转向，其余A、B型立柱系梁上设定位减震装置用于体外预应力的定位与减震；此外，根据结构受力需要，在第五孔及第七孔拱顶设一道体外预应力，锚于拱顶立柱横梁上。4.设计及计算难点处理54.1全桥结构分析根据结构力学定性分析可知，下部结构越刚性，则相邻拱间不平衡水平推力越大，拱结构内力越大；反之，下部结构越柔，产生的不平衡推力及拱的内力越小，而下部结构组合刚度主要由拱座承台刚度及群桩基础刚度并联得出，而群桩基础刚度则与桩位处的地质状况有很大关联。因此，准确模拟下部结构刚度以满足工程设计的要求是本桥设计的关键点之一。过刚则材料浪费，过柔则工程安全性难以保证。将承台、桩基作为整体建下部结构基础计算模型，输入桩基土层参数，以中风化岩面为固结点，按m法进行计算，各土层m值偏保守取规范上限，计算下部结构整体刚度。为了验证全桥结构受力体系的合理性，确保主体结构安全，利用大型有限元软件Midas建全桥结构模型进行计算分析。承台底以上各构件按实际断面输入；拱结构采用空间梁格法模拟；立柱与桥面板间铰接；桥面板在计算中只考虑其刚度，其重量以荷载形式计入；体外预应力锚固于桥台台帽上，中间联体外预应力锚固于第五跨及第七跨拱顶横梁上；桥台刚度取台帽、前墙与肋板组成的实体等效刚度进行模拟；桥台与桥墩承台底采用下部结构刚度计算结果，设弹性固结约束。图5全桥计算模型在恒载+1/2活载作用下，当不设体外预应力时桥梁各墩台水平反力结果如下表所示（向右为正；单位KN）：0号台1号墩2号墩3号墩4号墩5号墩22332085258193351在恒载+1/2活载作用下，设三道体外预应力后桥梁各墩台水平反力结果如下表所示（向右为正；单位KN）：0号台1号墩2号墩3号墩4号墩5号墩332-184-80-7-44143注：6号墩～11号台的水平力与0号台～5号墩的水平力对称。由以上结论可以看出：1、桥台间张拉两束9根φs15.20高强度低松弛环氧喷涂体外预应力钢绞线可以基本与桥台处所承受的恒载+1/2活载下水平推力相平衡，同时对拱脚受力状态有较好的改善。2、5号墩及6号墩间存在较大不平衡水平力，因此在第5跨及第7跨拱顶横梁间张拉6两束3根φs15.20高强度低松弛环氧喷涂体外预应力钢绞线，不但可以削减5号墩、6号墩的水平力，而且相邻的４号墩和7号墩的水平力也可以大大减小。3、在第5、7跨拱顶张拉体外预应力将改变拱结构的受力状态，本工程中，锚固跨局部拱肋内力增大，中间跨拱肋受力可得到改善，故增加体外预应力时应综合考虑下部结构及拱肋受力满足要求。图6无中间联体外预应力时中间五跨拱肋弯矩图图7张拉中间联体外预应力时中间五跨拱肋弯矩图4.2桥台抗推解决方案比选桥台处承台底为粉质粘土层且层深较厚，因此设计中对桥台处的构造进行了多方案综合比选。方案一：采用群桩基础桥台+摩阻板的方式。方案二：参照飞鸟拱的设计思路在拱桥边跨之后增加半跨，两侧半跨的拱顶采用预应力连接，将上部拱结构形成自平衡体系，桥台基础与上部结构受力分开，仅承受竖向力与台后土压力。方案三：在两侧桥台底的承台上张拉体外预应力，这也是软弱地质状况下，在流速较小且不通航的河道上建造上承式拱桥的一种常用处理方式。方案四：将体外预应力锚于两侧台帽上，中间置于预制桥面板下方，穿越各跨拱顶解决桥台处水平推力。综合比较以上几种方案在本工程中的适应性得出以下结论：方案一通过群桩基础及摩阻板的抗滑作用共同抵御桥台水平力，当土质较差且水平力较大时，桥台处不但会引起开挖量大而且软弱地基在水平力作用下产生的蠕变是难以量化和控7制的；由于项目特殊性，本桥陆域侧桥台后可开挖利用的场地不足，因此该方案实现困难。方案二与项目前期确定的桥型景观效果差异性较大，如果允许将景观方案略加调整，则该结构处理方案仍不失为一个解决桥台水平推力的好思路。方案三设置的体外预应力的置于拱脚位置下方，可以避免对桥台形成较大弯矩，但体外预应力设于水下，实际施工难度较大，且放样后发现体外预应力钢束难置于河床地面线以下，因此其防腐及防撞处理均比较困难，在该工程实例中不适宜采纳。方案四的体外预应力需在主体拱结构结构完成后落架前进行张拉，同时对桥台锚固处将产生较大的弯矩，采用此方案必须对桥台构造慎重。4.3桥台设计计算原则通过上述各方案比选，并针对本桥所处的桥位环境及结构体系，方案四是相对适宜的处理方案，在下一步的设计过程中需对桥台的构造及计算格外注意。桥台在体外预应力及拱脚推力作用下的设计方案必须满足以下条件：1.最不利荷载作用下桥台群桩基础不得出现负反力，恒载条件下群桩基础桩底反力尽量均匀。2.除对台帽、前墙、肋板突变点进行抗弯、抗剪承载能力及正常使用状态下验算外，条件允许前提下，尽量增大三者形成的组合抗弯刚度，以减小由于锚固点变形引起的体外预应力损失。3.桥台群桩基础的布置应可承担交变荷载产生的水平力，此外尽量满足桥台基础在短暂状态下，可承担裸拱结构的拱脚水平推力承载力。图8张拉中间联体外预应力时中间五跨拱肋弯矩图5.施工方案根据制动墩的设置全桥共分为三联进行施工。拱肋支架现浇的顺序可根据现场情况从中间或两边联开始。8支架施工第一联混凝土拱肋及立柱，完成第二联拱肋基础支架施工第二联混凝土拱肋及立柱，拆除第一联拱肋支架，完成第三联拱肋基础完成全桥拱肋混凝土浇注后，拆除剩余支架，张拉部分桥台间体外预应力钢束搭设桥面预制板，张拉剩余体外预应力钢束，施工二期铺装等附属结构，全桥完工图９拱肋施工顺序图6.结语多跨连拱桥是一种景观效果较好的桥型，但该类桥型拱脚推力大，在软弱地质条件下建成的案例并不多见，文中以软弱地质条件下建设的一座十一跨连拱桥为例，提出该类拱桥设计的常见问题及解决思路，如：上部板梁应与主体拱肋结构铰接以释放温度应力，设置制动墩以方便施工，通过设置体外预应力的方式解决桥墩、桥台拱脚处不平衡推力，并针对该桥体外预应力的设计方案提出相应桥台设计的关键点等等。上述若干节点的处理方式可为该类多跨连拱桥的设计提供参考。参考文献：[1]公路桥涵设计手册——拱桥[M].北京：人民交通出版社,2000.[2]软土地基多跨连拱桥的设计与施工[