浅谈基础布置形式对上承式钢筋混凝土拱桥设计的影响

郑华明

摘要：随着社会的发展与进步，市政基础设施的不断完善，桥梁结构已经由单纯的简单实用发展到重视桥梁的美观与造型，强调结合当地情况，与周围环境的协调统一及强调景观设计的重要性。拱桥是一种成熟的、美观的结构形式，应用较为宽广。本文以金坑河中桥为工程背景，采用Midas Civil计算软件建立有限元模型，通过选取不同的基础布置形式对上承式拱桥主拱圈内力进行比较，得出相关的结论，可为类似的桥梁结构设计提供参考。

关键词：上承式拱桥；基础形式；静力计算

一、工程概况

本项目位于新龙镇，城市次干路，跨金坑河设中桥一座，采用1×30m上承式钢筋混凝土拱桥，主跨拱圈采用圆曲线钢筋混凝土肋拱圈，主拱净跨径30m，净矢高6.0m，矢跨比为1/5。主拱圈拱顶厚度50cm，拱脚厚度120cm。

图1桥型立面图（单位：cm）

二、设计参数

1)设计荷载

①结构自重及二期恒载；

②过桥管线重量：15kN/m；

③活荷载，汽车荷载：城-A级；

人群荷载：按《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011中10.0.5条计算；

2)设计基准期：100年

3)桥面铺装：10cm沥青混凝土；

4)主要工程材料及技术要求:

①桥面板：C50，拱肋：C40，桥墩：C35，承台及桩基：C30。

②钢筋：普通钢筋采用HPB300和HRB400钢筋。

三、桥址工程地质条件

根据野外地质钻探，本场地为全新统人工填土层、第四系全新统冲积层、残积层、基岩层。现将各岩土层分述如下：

（1）全新统人工堆积层（Q4ml）

1-0素填土：主要由黏性土、砂及少量碎石块回填而成。

（2）第四系全新统冲积层（Q4al）

2-1层淤泥质土：流～软塑，土质黏滑。

2-2层中粗砂：饱和，稍密-中密。

（3）第四系全新统残积层（Q4el）

3-0层砂质黏性土：可塑～硬塑，为花岗岩风化残积而成。

（4）燕山期基岩层（γ）

4-1层，全风化花岗岩：灰黄色，岩石风化作用剧烈，原岩结构基本破坏，岩芯呈坚硬土柱状，遇水软化、崩解。

4-2层，强风化花岗岩：灰黄色，岩石风化作用强烈，原岩结构部分破坏，岩芯呈半岩半土状、岩块状，遇水软化、崩解。

4-3层，中风化花岗岩：麻灰色，中粗粒花岗结构，块状构造，岩石风化裂隙较发育，岩芯呈块状，少量短柱状，岩质较硬。

4-4层，微风化花岗岩：麻灰色，中粗粒花岗结构，块状构造，岩石风化裂隙发育，岩芯呈短柱状、柱状，岩质较硬。

四、基础布置形式比选

1、基础布置方案

本次基础布置形式选取两种方案进行建模对比分析，方案一基础承台厚度2.0m，承台下采用D1.3m钻孔灌注桩基础，纵桥向及横桥向桩基间距为4m，共布置15根桩基；方案二基础承台厚度2.5m，承台下采用D1.5m钻孔灌注桩基础，纵桥向桩基间距为6m，横桥向桩基间距为3.8m，共布置8根桩基。基础布置方案如图2所示：

图2  基础布置形式示意图（单位：cm）

2、计算模型

整体结构分析模型以平面杆系有限元模型为主进行计算，所有构件均以梁单元进行模拟。建模时考虑桩土效应的影响。

土弹簧的计算根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中给出的m法进行计算。各土层的土比例系数m的取值见下表：

表1本次设计中m的取值（kN/m4）

微风化岩的岩石地基抗力系数C0取值为15000000kN/m3。

3、方案一计算结果

采用有限元软件Midas/ Civil 2022计算，共划分650个单元，714个节点。

图3计算结构消隐图

（1）拱肋计算

图4拱肋基本组合弯矩包络图

图5拱肋基本组合剪力包络图

图6拱肋基本组合轴力包络图

图7拱肋频遇组合弯矩包络图

图8拱肋频遇组合剪力包络图

图9拱肋频遇组合轴力包络图

表2拱肋结构内力表

4、方案二计算结果

在进行结构离散时，共划分1075个单元，1076个节点。

图10计算结构消隐图

（1）拱肋计算

图11拱肋基本组合弯矩包络图

图12拱肋基本组合剪力包络图

图13拱肋基本组合轴力包络图

图14拱肋频遇组合弯矩包络图

图15 拱肋频遇组合剪力包络图

图16 拱肋频遇组合轴力包络图

表3 拱肋结构内力表

从建模分析的计算结果可以看出，方案一的基础布置形式下主拱圈的拱脚内力较大，拱顶内力较小，与结构构造尺寸匹配；同时可减少基坑开挖深度，施工便捷；因此宜选取方案一的基础布置形式。

五、结论

中小跨径的钢筋混凝土上承式拱桥桥型较为美观，通畅便捷、落落大方，简洁明快又不乏精细，配合外立面仿古石材，栏杆造型采用花岗岩材质，栏板上可雕刻反映桥址文化的名人轶事，从而体现当地的特色，在对景观要求较高的项目中应用较多，同时具有施工技术成熟等优点。本文以实际工程设计为案例，主要介绍同一地质条件下不同基础的选取方案对钢筋混凝土主拱圈的设计的影响，可为同类型跨度桥梁设计提供参考。

参考文献：

[1]《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）；

[2]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）；

[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）；

[4]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）；

[5]《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D 61-2005）；

[6]《公路桥涵设计手册 拱桥》，人民交通出版社