忻保线K116+179天桥设计

陈宏治

1 桥梁概况

根据山西省交通厅文件晋交公字［2007］433号《关于忻州至保德高速公路初步设计的批复》，在满足高速公路功能要求的前提下，结合地方交通网络的现状、规划，并与当地政府有关负责人现场勘察，合理确定了本桥的设计方案，满足当地群众生产、生活的需求。结构形式采用1-60m钢筋混凝土现浇箱拱，中心桩号K116+179，全长83.24 m，右前夹角90°。下部结构为组合式桥台，前台为一字台，钻孔灌注桩基础，后座为M7.5砂浆砌MU40片石抗滑块，以承担拱箱的水平推力。桥型布置图见图1。

2 技术标准

1)设计荷载:公路Ⅱ级。2)桥面宽度:净 5.0+2×0.5(防撞护栏)。3)环境条件:Ⅰ类。4)地震动峰值加速度为0.05g。5)本桥平面位于直线段上，设计纵坡为3%，桥面横坡为1.5%。

3 结构设计及计算

3.1 结构设计

1)主拱圈截面设计。拱圈高度h取值采用下列公式:

其中，l0为净跨径;Δ 取0.6 ～0.8。

拱圈宽度可取桥面宽度的0.6倍～1.0倍，桥面悬出拱圈以外可达4.0m，但拱圈宽度不得小于跨径的1/20，以保证其横向稳定性，见图2。

2)拱上建筑设计。本桥拱上建筑由底垫梁、立柱、盖梁、钢筋混凝土简支空心板桥面结构组成，设计时考虑以下3点:a.腹孔数采用奇数7孔，避免拱顶设置立柱。b.桥面系采用简支结构，避免连续梁体系的附加内力会对主拱圈产生不利影响，也符合JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第9.5.2条“拱上建筑的板或梁宜采用简支结构”的规定。c.腹孔选用10m标准化跨径空心板符合JTG D62-2004第9.5.1条条文说明“一般取主拱跨径的1/8～1/15，但从配合景观考虑，也可适当采用稍大的比值”的规定。

3)矢跨比及拱轴线系数设计。按JTG D62-2004第9.5.1条“钢筋混凝土拱的矢跨比，宜采用1/5～1/8”，故本桥矢跨比选用1/6。

空腹式钢筋混凝土拱桥拱轴线不采用圆曲线的主要原因为矢跨比为定值时对应唯一的圆曲线形状，相应的主拱圈各截面的恒载弯矩就确定了，无法调整。而悬链线可根据拱轴线系数m的变化改变拱轴线的形状，具有较强的调整功能，可以获得较为合理的恒载内力，满足五点重合法，这是圆曲线做不到的。

拱轴线系数m的优化选择需经过多次试算，本桥采用桥梁博士3.0程序建立计算模型。试算时考虑以下两点:a.按JTG D62-2004第4.3.1条“不考虑拱上建筑与主拱圈的联合作用”，使主拱圈裸拱受力，将主拱圈单元选择为桥面单元，车道荷载直接在拱圈上布载。此时不可选取桥面为竖直截面，否则主拱圈单元截面不是与拱轴线垂直而是与水平方向垂直，由此产生单元截面尺寸的不同导致计算的单元刚度不一样。在计算活载内力时，虽然活载的内力影响不大，但是变形和应力影响还是有的。b.拱上建筑如垫梁、立柱、盖梁、空心板、铺装、护栏等恒载换算成主拱圈底垫梁位置处的集中力施加到主拱圈上，其中立柱计算先假定拱轴线为圆曲线，再根据桥面纵坡来确定各个立柱尺寸。经多次试算，选定拱轴系数为2.24，满足JTG D62-2004第9.5.1条“拱轴系数，宜采用2.814 ～1.167”的要求。

3.2 结构计算

1)桥梁博士3.0数据输入要点。采用桥梁博士3.0平面有限元程序进行计算。全桥模型共有节点101个，94个单元，其中包括28个空心板单元，6个立柱单元，60个拱圈单元。模型以顺桥向为X轴，竖向为Y轴。采用空心板单元为桥面单元，桥面为竖直截面。立柱单元与主拱圈单元采用同一位置同一节点刚接，与上部空心板单元采用同一位置不同节点，主从约束的方法模拟桥面简支体系。如图3所示，79号立柱单元上端节点号79为主约束，节点79分别与节点63，103形成主从约束。2)计算输出结果要点。一般地，对于本桥同类型的拱桥，在各项尺寸拟定合适以及合理选择拱轴线的情况下，主拱圈截面配筋满足JTG D62-2004中规定最小配筋率的构造配筋即可达到强度要求。

该类拱桥设计的主要问题之一是拱圈预拱度的计算与设置，按JTG D62-2004第6.5.5条要求，采用自定义组合计算预拱度。

拱顶处的总预拱度Δ=Δ1(拱圈及拱上建筑自重引起)+Δ2(1/2活载引起)+Δ3(拱圈温度变化)+Δ4(拱座水平位移)。

当算出拱顶预拱度后，其余各点的预加高度可近似地按开口向下的二次抛物线分配，在拱脚处的预拱度为零。

［1］JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］邵旭东，程翔云.桥梁设计与计算［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］胡 敏.关于小桥涵设计的一些体会［J］.山西建筑，2009，35(16):304-305.