浅谈大跨径箱型拱桥设计技术

摘要：箱型拱桥突出的优点是可设计性、可施工性很强以及跨越能力大，特别适用于大江、深谷桥位处的跨越。由于钢筋混凝土拱桥具有所谓的“免费预应力”结构效应，其受力性能好、与其它桥型相比综合造价低、桥型美观等优点，故得到工程界的一致认可并成为设计中经常优选的桥型之一。本文即详细阐述了大跨径箱型拱桥设计技术要点。

关键词：大跨径；箱型拱桥；桥型；分孔设计；矢跨比

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、拱桥桥型选取

拱桥的选型多样，即使同一个桥址也可选取不同形式的桥型，但应当结合桥梁的使用要求、长远发展情况、设计与施工条件等综合考虑确定桥型。根据工程实践经验，对于桥梁跨径在100m以内的山区公路桥梁，当桥梁附近含有丰富的石料时，则可适宜考虑选取石拱桥，这样可以有效地节省工程造价，同时方便施工。对于桥梁跨径在80～100m的跨河桥，如无法搭设支架施工时，可采用钢筋混凝土箱板拱或箱肋拱。目前箱板拱已经具备了设计施工经验成熟、构造简单等优点，但材料用量比箱肋拱大。

二、大跨径箱型拱桥总体布置

（一）合理地定取桥梁全长以及拱桥的分孔

桥梁的长度必须有效地确保桥下具有足够的排洪面积，以能安全渲泄设计洪水流量，并使河床不致遭受较大的冲刷，同时应根据河床允许冲刷的程度，适当地缩短桥梁长度以有效地节省工程整体造价。具体设计时应根据水力水文计算以及技术经济条件，综合考虑以确定两岸桥台台口之间的总长度，再根据纵、横、平三个方向综合考虑桥梁与两头路线的连接、桥台的施工以及地质条件而确定桥台的位置、形式以及相应的尺寸。

（二）分孔设计

对于多孔拱桥，分孔方式是总体布置中一个比较重要的问题。如果拱桥跨越的是通航河流，在确定孔数与跨径时，一般分为通航孔和不通航孔两部分，并需确定通航孔数。通航孔的桥下净空尺寸应满足航道等级规定的要求，并与航道部门协商，必要时应进行通航论证。通航孔的位置一般布置在常水位时河床最深处或正常航行时的航道上，不应由于桥梁的修建而使航道有大的改变。对于变迁性河流，鉴于航道位置可能发生变化，应多设几个通航孔，这样，即使主河道位置变迁时，也能保证通航要求。不通航孔或非通航河段，桥孔划分可按经济原则考虑，尽量使上、下部结构的总造价最低。

在拱桥分孔时，应本着经济适用的原则。有时为了避开深水区或不良的地质地段( 如软土层、溶洞、岩石破碎带等) ，可根据具体情况将跨径加大。在水下基础结构复杂、施工困难的地方，为了减少基础工程，也可以考虑采用较大跨径。

在拱桥分孔时，一船全桥宜采用等跨或分组等跨的分孔方案，并尽量采用标准跨径。这样，施工方便且容易修复，在遭到重大自然灾害或战争时也易于更换修复。同时，采用标准跨径可以改善下部结构的受力并节省材料。

此外，在拱桥分孔时还需注意全桥的造型和美观，对于公路拱桥应从美学上保证桥梁与周围环境协调。

（三）拱桥的设计标高

拱桥的设计标高有四个，即桥面标高、拱桥底面标高、起拱线标高和基础底面标高。合理地确定这几个标高是拱桥结构设计方案的重要问题。

拱桥的桥面标高一方面要考虑纵断面设计要求，另外还要保证桥下净空能满足泄洪以及通航的要求。桥面标高反映了建桥的高度，相同纵坡条件下，桥高会使两岸接线工程量显著增加，桥梁的总造价提高。而桥面标高也不能设计过低，否则会影响通航和安全渲泄洪水。工程实践表明，对于山区河流下的拱桥，由于两岸公路路线的位置较高，桥面的标高应当由两岸线路的纵断面设计控制。对于跨越平原区河流的拱桥，桥面的最低标高一般由桥下通航及排洪要求控制。对于无铰拱桥，拱脚可以设在设计洪水位以下，但淹没深度不应超过净矢高的2／3，并且拱顶底面都应高出设计洪水位1.0m。

（四）矢跨比的设计

拱桥矢高与跨径的比值称为矢跨比。矢跨比是拱桥的重要特征数据，它不但影响拱圈内力，还影响拱桥的施工方法，同时对拱桥外形及与周边环境是否相协调也密切相关。拱桥的恒载水平推力Hg 与垂直反力 Vg 的比值，随矢跨比的减小而增大。即当矢跨比减小时，拱的推力增加，反之则减小。推力增加，则拱圈承受的轴力也越大，对基础的影响也越大。同时，矢跨比小，则弹性压缩变形、混凝土收缩徐变、体系温差等因素对拱圈影响大。但矢跨比小能增加桥下净空，降低桥面坡度，对拱桥混凝土的浇筑也较为方便。在 《公路污工桥涵设计规范》 JTG D61-2005 中，建议拱桥的矢跨比宜采用 1/4～1/8。而大跨径钢筋混凝土箱拱的矢跨比选择为1/5～1/6 比较合适。

（五）拱圈的设计

拱圈是钢筋混凝土箱型拱桥最主要的承重结构。目前，大多数钢筋混凝土拱桥主要采用箱型肋拱和箱型板拱两种结构形式。

1、箱型肋拱

箱型肋拱通常用两条或多条分离式平行拱肋形成拱圈，分离式拱肋间需设置刚性横梁来保证拱肋的横向稳定性和拱圈整体性。采用分离式拱肋减轻了自重，恒载内力相应减小，活载内力比重提高，能充分发挥拱箱材料的力学性能，其施工效率也大大提高。但由于拱圈轻型化后，其结构整体刚度减弱，横向稳定性也减小，设计中应加以重视。箱型肋拱肋高一般约为跨径的 1/25～1/35，肋宽约为1. 5～3m。在设置立柱、横撑处箱肋要求设置横隔板，保证局部稳定和刚度。

2、箱型板拱

箱型板拱一般由多个箱室组成，采取的组成方式有：OU形肋组成多箱室截面+顶面盖板；工字形肋组成多箱室截面；闭合箱肋组成多箱室截面。箱型板拱拱箱高一般约为跨径的1/50～1/70，经验公式为H=Lo/100+ (=0.6～0.8)。拱圈宽度需考虑保证拱圈的横向刚度和稳定，B/ Lo≥1 /20，B/ H约2.5～3.5。单个箱宽约为1.3～1.7m。为了保证拱圈的局部稳定和抗扭能力，箱内要求设置横隔板。

（六）拱圈及其拱上结构的轻型化

随着钢筋混凝土拱桥向大跨度发展，结构自重(即恒载)在拱圈截面承担的内力比重也越来越大，对拱圈的尺寸及混凝土标号要求也越来越高。为了提高钢筋混凝土拱桥的跨越能力，就要求对拱圈及其拱上结构进行轻型化设计。对拱圈进行轻型化设计，主要有以下几种方式；①采用轻质骨料混凝土；②采用钢腹板、波形腹板或钢管腹杆代替混凝土腹板。对拱上结构轻型化设计，主要有以下几种方式：①优化拱上结构形式和尺寸，减轻重量；②采用钢构件或组合构件作为拱上结构减轻结构重量；③对桥面板进行优化设计减轻结构重量。

（七）拱桥的极限承载能力及其稳定

拱桥作为一种主要承受压力的曲杆体系，其承载能力必然受到稳定性的影响，稳定问题是拱桥设计中一个非常重要的环节。随着钢筋混凝土箱型拱桥向大跨度发展，稳定问题越发显得重要。拱桥稳定理论经历了由面内到面外，由线性

屈曲法到几何非线性分析法，进而发展到考虑几何非线性和材料非线性的分析方法。早期对拱的屈曲研究由于计算手段的局限，分析过程中都做了很多近似的假定，不能真实地反映拱的稳定承载能力，只能采用较大的安全系数来弥补理论上的缺陷。

随着计算机技术的发展，基于非线性的分析理论得到了发展，研究表明按原有的弹性稳定理论得到的极限荷载偏大，是不安全的。考虑几何非线性和材料非线性理论进行分析，通过有限元法予以实现，是研究拱桥稳定问题的趋势所在。

参考文献

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