拱桥总体布置的技术探讨

拱桥总体布置的技术探讨 拱桥总体布置的技术探讨 摘要：拱桥是最古老的一种桥型，造型优美，适应性强。其总体布置是否合理，不但影响桥梁的总造价，而且影响桥梁今后的使用、维护、管理。根据国内外已经建成拱桥的经验，文章从桥梁孔数、设计高程等方面对拱桥的设计进行分析，阐述总体布置时的方案选择。 关键词：拱桥；总体布置；矢跨比 中图分类号： U448 文献标识码： A 文章编号： 1 序言 拱桥因能将桥面系传来的压力转化为轴向压力，使主拱截面的材料强度得到充分发挥，故在我国公路桥上使用广泛。拱桥的总体布置应该按照适用、平安、经济和兼顾美观的原那么进行设计。 2桥梁孔数确实定 当桥梁全长确定后，可根据桥址处的地形、地质情况，结合选用的结构体系和形式、施工条件，进一步确定选择单孔还是双孔。如采用多孔拱桥，如何进行分孔，是总体布置中一个比拟重要的问题。 如果跨越通航河流，在确定孔数与跨径时，首先需进行通航净空论证和防洪论证。分孔时，除应满足设计洪水通过的要求外，还应确定通航孔数；对于航道可能变迁的河流，必须设置几个通航的桥垮；对于非通航河段，桥孔划分按经济原那么考虑；深水区或不良的地质地段，可将跨径加大；水下根底结构复杂、施工困难的地方，可考虑采用较大跨径；跨越峡谷、水流湍急宽阔的河道或水库时，建造大跨径桥梁比多孔小跨径经济合理；桥中，连孔数量大于等于4孔时，需设置单向推力墩，以防止一孔坍垮而引起全桥坍垮。此外，分孔时，还需注重整座桥的造型和美观。 3 桥梁设计高程和矢跨比确实定 3.1桥梁设计高程 拱桥的高程有桥面高程、拱顶底面高程、起拱线高程、根底底面高程。这几项高程的合理确定，是拱桥总体布置中的另一个重要问题。 3.1.1桥面高程 桥面高程代表着建桥的高度，特别在平原地区，在相同纵坡的情况下，桥高会使两端的引桥或引道工程增加，将增加总造价。反之，如果桥修矮了，不但有被洪水冲毁的危险，而且影响桥下通航。故桥面高程必须综合考虑有关因素，正确合理地确定。 建在山区河流上的拱桥，桥面高程一般由两岸线路的纵面设计所控制；对跨越平原区河流的拱桥，其桥面最小高度一般由桥下净空控制；对于通航河流，通航孔的最小桥面高度，应满足对不同航道等级所规定的桥下净空界限的要求；对于有淤泥的河床，桥下净空应适当加高。 3.1.2拱顶底面的高程 当桥面高程确定之后，由桥面高程减去拱顶的建筑高度，就是拱顶底面的高程。为保证漂浮物能通过，拱顶底面应高出设计洪水位1.0m。 3.1.3起拱线高程 为减小墩台根底底面的弯矩，节省墩台的工程量，起拱线高程一般宜设计成低拱脚，但对于有铰拱桥，拱脚需高出设计洪水位以上0.25m。当洪水带有大量漂浮物时，假设拱上建筑采用立柱，宜提高起拱线高程，以防漂浮物对立柱的撞击。从美学角度来看，应防止就地起拱，使墩台露出地面一定高度。 3.1.4根底底面的高程 根底底面的高程主要根据冲刷深度、地基承载能力等因素确定。 3.2矢跨比 矢跨比是拱桥的一个特征数据，不但影响主拱圈内力、施工方法，而且影响拱桥的外形与周围景物的协调关系。 拱的恒载水平推力Hg与垂直反力Vg之比值，随矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的推力增加。推力大，在主拱圈内产生的轴向力较大，对主拱圈本身的受力状况是有利的，但对墩台根底不利；矢跨比小，那么弹性压缩、混凝土收缩和温度等附加内力均较大，对主拱圈不利。在多孔情况下，矢跨比小的连拱作用较矢跨比大的显著，对主拱圈也不利。然而矢跨比小却能增加桥下净空，降低桥面纵坡，对拱圈的砌筑和混凝土的浇筑比拟方便。因此，在设计时，矢跨比的大小应经过综合比拟。 通常，对于砖、石、混凝土拱桥和双曲拱桥，矢跨比一般为1/41/8，不宜小于1/10；钢筋混凝土拱桥的矢跨比一般为1/51/10，但拱桥最小矢跨比不宜小于1/12。 4不等跨分孔问题的处理 多孔拱桥宜选用等跨分孔。在受地形、地质、通航等条件的限制，或引桥很长，考虑与桥面纵坡协调一致时，可以考虑用不等跨分孔的方法予以处理。不等跨拱桥，由于相邻孔的恒载推力不等，使桥墩和根底增加了恒载的不平衡推力。为减小这个不平衡推力，改善桥墩根底受力状况，可采用以下措施。 4.1 采用不同的矢跨比 由于跨径一定时，矢跨比与推力大小成反比，故在相邻两孔中可采用大跨径用较陡的拱，小跨径用较坦的拱的方法，以尽量减小两相邻孔在恒载作用下的不平衡推力。 4.2 采用不同的拱脚高程 降低大跨径孔的拱脚，使两相邻孔的拱脚高程不在同一水平线上，从而减小大跨径孔拱脚水平推力对基底的力臂，使大跨与小跨的恒载水平推力对基底产生的弯矩得到平衡。 4.3 调整拱上建筑的自重 大跨径用轻质的拱上填料或采用空腹式拱上建筑，小跨径用重质的拱上填料或采用实腹式拱上建筑，用增加小跨径拱的恒载来增大恒载的水平推力。 4.4 采用不同类型的拱跨结构 小跨径常用板拱结构，大跨径用别离式肋拱结构，用减轻大跨径拱的恒载来减小恒载的水平推力。有时，为了进一步减小大跨径拱的恒载水平推力，可加大大跨径拱肋的矢高，而做成中承式肋拱桥梁。 在设计时，也可以将以上几种措施同时采用。如果仍不能到达完全平衡推力的目的，那么设计成体型不对称或加大桥墩和根底的尺寸加以解决。 5 拱桥体系、结构类型和拱轴线的选择 5.1拱桥体系的选择 拱桥可分为两大体系，既简单体系拱桥与组合体系拱桥。总体设计应在桥位自然条件、通航要求、分孔及道路等级等情况下，从经济合理性、技术可行性、耐久实用性等方面进行分析选择。 5.2结构类型的选择 对于简单体系拱桥，因无铰拱结构钢度大、受力好而作为首选；在地基较差地区考虑采用两铰拱结构，以适应不良地基引起的墩台不均匀沉降、水平位移及转动；因拱顶铰结构复杂、施工困难及整体刚度差，故极少采用三铰拱结构。 5.3拱轴线的选择 一般来说，拱桥拱轴线的选择应满足以下要求：尽量减小主拱截面的弯矩，并使其在温度、混凝土收缩、徐变等影响下各主要截面的应力相差不大；对于无支架施工的拱桥，应能满足各施工阶段的应力要求，并尽可能减少或不用临时性施工措施；线型美观，且便于施工。目前，我国拱桥常用的拱轴线形有以下几种。 5.3.1 圆弧线 圆弧形简单，施工最方便，易与掌控。但圆弧线拱轴线与恒载压力线偏离较大，拱圈各截面受力不均匀。因此常用于20m以下的小跨径拱桥。少量的大跨预制装配式钢筋混凝土拱桥，也有采用圆弧形拱轴线。 5.3.2 悬链线 实复式拱桥拱圈的恒载压力线是一条悬链线，因此实腹式拱桥采用悬链线作为拱轴线。在恒载作用下，当不计拱圈弹性压缩影响时，拱圈截面只承受轴向力而无弯矩。 空腹式拱桥拱圈的恒载压力线是一条有转折点的多段曲线。与悬链线有偏离，但此偏离对主拱控制截面的受力有利，而悬链线拱轴对各种空腹式拱上建筑的适应性较强，并有一套完备的计算图表，因此，空腹式拱桥也广泛采用悬链线作为拱轴线。悬链线是目前我国大、中跨径拱桥采用最普遍的拱轴线形式。 5.3.3 抛物线 在竖向均布荷载作用下，拱的压力线是二次抛物线。对于恒载集度比拟接近均匀的拱桥，往往可以采用二次抛物线作为拱轴线。而有些大跨径拱桥，由于拱上建筑布置的特殊性，为了使拱轴线尽可能与恒载压力线相吻合，也可采用高次抛物线作为拱轴线。 一般情况下，上承式小跨径拱桥可采用实腹圆弧拱或实腹悬链线拱；大、中跨径上承式拱桥，往往可以采用空腹式悬链线拱；轻型拱桥、失跨比拟小的大跨径上承式拱桥、中承式和下承式拱桥及各种组合式拱桥，可采用抛物线或悬链线。在特殊条件下，也可采用压力线的拟合曲线作为拱轴线。 6 结束语 拱桥的总体布置在桥梁的设计中具有十分重要的作用，是衡量桥梁设计好坏的重要标准。只有结合多方面因素进行考虑，桥梁的经济性、美观性、平安性、实用性才能完美融合。 参考文献： 【1】顾安邦，向中富桥梁工程M北京：人民交通出版社，2021. 【2】中华人民共和国行业标准.JTG D602004公路桥涵设计通用标准. 北京:人民交通出版社，2004. 【3】中华人民共和国行业标准.JTG D612005公路圬工桥涵设计标准. 北京:人民交通出版社，2005. 作者简介 杨鹏，男，四川巴中，四川农业大学城乡建设学院，研究方向为桥梁工程。