昌昌桥梁工程 鏊 磐母囊嚣鬈ｌ冀黪爵 ｉ 大跨石拱桥的设计与结构分析 雷晓刚．裴祥远 （北京 道通公路设计研究院，北京 １０００５３） 摘要：对于常见的巾小跨径石拱桥一般是针对成桥状态进行结构分析，同时也常常不计拱上结构与主拱圈的联合作用。 随着计算机技术、拱桥设计理论、设计方法及分析手段的不断完善，使得成桥及施工过程分析更能准确地反应结构实际 受力情况．结构设计更加安全合理。因此以ｌ１０罔道德胜Ｅｌ ２号桥为例对石拱桥设计及结构分析作了详细论述。 关键词：石拱桥；火跨径；设计；结构分析 中图分类号：Ｕ ４４８．２２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７６７（２０１０）０１—００７０—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｓｐａｎ Ｓｔｏｎｅ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅ Ｌｅｉ Ｘｉａｏｇａｎｇ，Ｐｅｉ Ｘｉａｎｇｙｕａｎ ｌ工程概况 钢筋，且使基础混凝土与基础下缘周同基岩密合，以 石拱桥由于受地形条件、建筑材料、施Ｔ环境、结 增加基础的抗滑能力。 构理论与分析手段、施丁与监控技术的限制，在现代 ２．２拱上结构形式选择 桥梁结构中的应用与发展已受到制约，特别是大跨度、 腹拱由８个等跨径腹拱组成，腹拱净跨径４．０ ｍ， ０ Ｉｌ１．矢跨比１／４．厚０．４ ｍ，腹拱圈结构形式为 重载石拱桥的建设更是少见。但１１０困道德胜口２号 净矢高１．桥由于受附近中科院地磁中心对用钢量的限制，最终 等截面圆弧拱。腹拱墩采，｝ｆｊ横向挖空形式，腹拱墩等 采用石拱桥结构形式。 厚０．８ ｍ。 一该桥位于１ｌ０国道沟崖水库截流坝东侧，跨越现 般的石拱桥在腹拱的端边孑Ｌ及中边孑Ｌ分别采 状德胜口沟。桥梁上部结构为１ｘ６０ Ｉｌｌ空腹式等截面 用三铰拱及两铰拱，以适应拱上结构变形的需要及桥 悬链线无铰石板拱，下部结构为重力式Ｕ型桥台，扩 面系和桥梁外荷载变形需求。该桥经计算，需在腹拱 大基础：桥梁全长８０．０ １ＴＩ，全宽ｌ３．５ ｍ：荷载标准为公 网多处设置平铰，以满足变形协调要求。根据实际情 路一Ｉ级，重载验算；地震动峰值加速度为０．１５ ｇ。 ２结构设计 况分析，由于腹拱墩是石砌结构，其砌体结构关系复 杂，抗弯刚度在一定弯曲变形后的截面受力与弹性材 料有所区别，亦即抗弯刚度在变形后有变小的趋势， 拱罔的整体性不利，因此，在两边孑Ｌ设置三铰拱，跨中 ２．１主拱圈构造 其主要技术指标如下： 该桥采用空腹式等截面悬链线无铰拱结构形式。 加之腹拱罔平铰设置过多，既增大了施Ｔ难度又对腹 １）净跨径Ｌ。＝６０ ｍ，计算跨径Ｌ＝６１．０７８ ＩＴＩ； ２）净失高ｆｏ＝１０ １ＴＩ，计算欠高厂＝１０．１９３ Ｉｎ； ３）矢跨比１／６； ４）拱轴系数ｍ＝２．８１４； 设置变形缝的构造形式，并采用多次卸架及拱上侧墙 后砌等措施．以适应结构变形。为避免主拱圈、拱上建 筑、与桥台变形不一致的影响，靠近桥台及拱顶的腹 拱做成 铰拱，拱铰为平铰。桥台处的铰设置伸缩缝， ５）主拱圈截面采用矩形，等厚１．７ Ｉｎ，宽ｌ３．５ ｍ。 其他铰做成变形缝。拱上的栏杆也应采取相应的措施， 主拱圈坐落在两岸完整性较好的基岩上，地基承 以免产生裂缝ｌｌ１。 载力较高。由于北侧桥台离上游水库较近，为避免开 ２．３拱上护拱及填料设计 挖基础对水库基础有大的扰动，决定采用破碎炮机械 由于石拱桥拱上建筑及拱腹填料重量大，致使主 开挖方法施Ｔ。基础设计成２级台阶，基础底面植入 拱圈裸拱合拢卸架后有较大的变形，这对主拱圈、腹 ７０ 荭技木ｎ∈１Ｉ ２０１０ Ｎｏ．１（Ｊａｎ．）Ｖｏ１．２８ 桥梁工程器 瑟ｒｌ 磐棼受爨 ｌ 姆 鹚霪 拱及腹拱墩受力不利。大跨径石拱桥拱上填料过去多 ３结构分析 采用炉渣、矿渣等轻质材料或砂石、砂、砾石等透水性 ３．１主拱结构受力分析 材料，但实践中常囚填料难以压实，以及运营期间水 采用０６级加气混凝土。 全桥结构采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２００６的空问梁单元．用 的作用等因素引起的桥面病害，经综合考虑拱腹填料 有限元分析方法，考虑拱上结构联合作用进行建模分 析（见图１）。 ｉ－。一＿＿一－一— Ｉ 一 一一一｜ ～～一～？≤ 、～，／ ～ ｜ 一 ｊ ～ ｝ 一／一／ ｛ 、ｔ、 、、｝ 』／ ／ｌｌ、＇、－ ＜、 ／ ／图１ 考虑拱ｊ－结构联合作用计算模型与 元划分罔 全桥共划分为２９１个梁单元，其中主拱圈、腹拱 ３．２成桥状态动力分析 网、腹拱墩及桥面系分别为７２、７４、２４及１２１个单元。 按照成桥状态的计算模型，考虑拱上建筑的共同 桥面系单元节点与主拱圈及腹拱罔单元节点对应一 作用，采用Ｍｉｄａｓ Ｃｉｖｉｌ ２００６空间梁单元法分析前８阶 致，以弹性连接形成整体（弹性连接为只受压），腹拱 结构自振频率及相应的振型，结果见表２。 为 铰拱，采用释放相关单元梁端约束来实现。 ３０℃和拱座压缩变形１ ｃｍ．主拱圈控制截面各Ｔ况应 从计算结果看石拱桥结构基频较小，拱上填料厚 考虑拱上建筑的共同作用，前６阶振型见图２。 结构分析考虑温度变化整体升温２５ ｃＣ、整体降温 度大于０．５ Ｉｌｌ时可以不计汽车冲击力。 力见表１（不利组合为恒载＋汽车＋温降＋变位） 表１ 主拱圈控制截面下缘各工况应力表ＭＰａ 第１振型竖向 ———————— 、 —＝＝ 第３振型横向 ￡ —７—一 第６振型横向 ２主拱 联合作用前６阶振型 主拱圈为大料石砂浆砌体，砂浆强度等级Ｍ２０， 指标： ０．１０４ ＭＰａ；３）砌体弹性模量Ｅ ＝７ ３００ ＭＰａ；４）砌 南图２可知．拱上建筑联合作用对主拱罔低频振 果较明显，这与腹拱结构形式有一定关系¨２１。 石拱桥传统的活载计算方法是直接在主拱圈上 石材强度等级不低于ＭＵ１００号，砌体采用如下力学 动响应影响不大，但对高频振动响应频率有降低，效 １）砌体抗压强度ｆ ＝７．６８ ＭＰａ；２）直接抗剪强度 ３．３移动活载的加载方法分析 体密度 ＝２７．５ ｋＮ／ｍ ；５）砌体线膨胀系数８ｘｌＯ ｏＣ。 加载．而没有考虑腹拱及腹拱墩设置的影响，计算结 表２主拱圉自振频率及振型表 ２０１０牟第１枷（１一）第２８巷 ，事荭技术 盯 ７１ 器桥梁工程 Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 果不太切合实际，目前随着石拱桥分析方法的发展，可 ２种不同加载方法进行主拱圈计算，结果见表３。 表３ 两种不同加载方法主拱圈上缘计算结果应力表 从以上计算结果可以看出：考虑偏载对各截面有 均匀分布于拱罔计算结果偏小，对结构不利。因此计 以直接在桥面系加载计算，使计算结果更准确。下面以 不同程度的影响，拱顶位置较大，结果比值达１．１７９： 算应该考虑偏载对结构的影响。 ４结语 一船载誊 喊彩 。 １）石拱桥与普通桥梁相比，具有外形美观、跨越 能力大、可充分发挥圬工材料的受力特点、养护费用 ｋＰａｋＰ ａ ｋＰａ ｋＰ ａ低、使用寿命长等特点，但石拱桥也有白重大、对地基 要求较高、需劳动力较多及周期长等缺点，一般在条 件许可的情况下，修建石拱桥往往是经济合理的，只 要因地制宜，设计周密，措施得当，在地质条件好的山 区公路上建造大跨石拱桥是可能的。 从表３结果可以看出，直接在拱圈上加载对Ｌ／８和 Ｌ／４处截面影响较大，对拱顶和拱脚影响较小，桥面 ２）直接在主拱周上加活载对 ８和 ／４处截面影 响较大，对拱顶和拱脚影响较小，计算结果趋于保守。 系加载更为合理。 ３．４石板拱桥活载横向分布分析 考虑拱上联合作用在桥面系加载更能准确地反应结 构实际受力情况。 石拱桥的横向分布在设计规范中没有明确的规 ３）石拱桥上的偏载对各截面有不同程度的影响， 定和计算方法，因此计算一般不考虑，只视其为均匀 其中拱顶位置较大．结果比值达１．１７２，均匀分布于拱 分布于拱圈全宽。现以本桥为例对此类拱桥进行计算 圈计算结果偏小，对结构不利，所以计算应该考虑偏 分析，对不同矢跨比的石拱桥及不同的位置考虑均匀 载对结构的影响。 分布（Ｄ ）和实际偏载情况（Ｄ ），活载横向分布效应 计算结果见表４。 表４活载横向分布效应表 。参考文献： ［１】顾安邦，范立础．桥梁丁程：下册［Ｍ】．北京：人民交通 版社， ２０００：６—１２５． ［２Ｊ刘士林，向中富．特大跨径石拱桥研究与实践［Ｍ】．北京：人民 交通出版礼．２００６：３２—７２． ［３］顾懋清，石绍甫．拱桥：上册［Ｍ］．北京：人民交通出版社， ２０００．１－８０ 收稿日期：２００９—０７—０８ 作者简介：雷晓刚（１９７０一），男，贵州道真人，高级Ｔ程师，学士，主要 从事桥梁设计Ｊ 作。 北京市将修订城市雨水排水标准 受气候变化的影响，北京市的暴雨等极端天气事件明显增多。这对北京城的排水管网设计和改造、城市防洪体系的建设提出 了新要求。日前，市规委、市气象局、市水务局、市排水集团等单位正在联合开展“北京城市雨水排除规划设计标准研究”，该项研究 将于２００９年年底完成，届时本市将修订适合北京城市发展的雨水排除规划设计标准。 随着北京城市化的发展，不透水地面大幅度增加，有混凝土、沥青覆盖的路面面积占到了城区总面积的８０％，致使在相同降 雨条件下，地表径流的系数大幅增加大量雨水形成地表径流，造成排水不畅的地段大量积水。气候专家介绍，一方面，城市暴雨造 成的内涝积水对城市排水和河道行洪构成巨大的压力；另一方面．也威胁着首都的城市安全。近年来，北京已经 现多次由于暴 雨天气弓ｌ发的交通严重堵塞和大面积交通瘫痪事件。 ７２ ，；荭投客一∈１－２０１０ Ｎｏ．１（Ｊａｎ．）Ｖｏ１．２８
