摘要:结合软土地基修建景观拱桥工程实例，探讨平衡拱桥水平推力的方法，对比有推力结构体系和无推力结构体系的受力情况及适用范围，并对桥台阻滑板和暗埋刚性系杆结构进行计算分析，可为类似项目的设计提供借鉴。
关键词:软土地基;上承式拱桥;阻滑板;暗埋系杆
0引言
拱桥作为一种常见的桥梁结构，具有悠久的历史。拱式结构在上部结构自重和荷载作用下，会在拱脚处产生较大的水平推力，一般在软土地基上不宜修建。但由于拱桥具有线形圆润、造型美观的优点，往往在湿地公园、滨水绿廊等处作为景观桥梁又备受青睐。本文结合沧州市某滨海公园桥梁项目，对上承式拱桥平衡拱脚水平推力结构设计方面进行分析研究，为在软土地基上修建景观拱桥提供参考。
1工程概况
该景观拱桥为人行桥，桥面宽度为0.3m栏杆+净8.5m+0.3m栏杆。上部结构采用钢筋混凝土板拱，计算跨径38m，矢高9m，矢跨比1/4.222，拱轴线采用圆弧线，拱轴半径24.556m。主拱圈厚0.7m，宽9m。下部结构采用钢筋混凝土拱座、承台和预应力混凝土系杆，基础采用钻孔灌注桩基础。桥型布置图见图1。设计人群荷载4.0kN/m2。桥址位于沧州滨海地区，地层主要为第四系全新统陆相沉积、海相沉积及上更新统陆相冲积形成的粉土、粉砂、粉质黏土、黏土，钻探深度50m共分12层，第①层为软弱土，第②层～第⑧层为中软土，第⑨层以下为中硬土。场地地下水位埋深4.60m～4.80m;采用标准贯入试验判别法计算饱和粉土层、粉砂层不液化，场地为非液化场地。
2结构方案比选
根据平衡拱脚水平推力结构形式的不同，拱桥可分为有推力拱桥和无推力拱桥。有推力拱桥桥台一般采用浅基础加阻滑板、沉井基础加阻滑板或群桩基础加阻滑板等结构［1］，依靠台后主动土压力、阻滑板摩阻力和基础水平抗力来平衡水平推力。无推力拱桥一般采用纵向预应力系杆来平衡水平推力，常用的结构形式有下承式刚架系杆拱桥、中承式刚架系杆拱桥(飞鸟式)、上承式拱梁组合桥和中承式拱梁组合桥等［2］，这些桥型桥面较为平直，系杆多设置在桥面系箱梁中。本项目为人行景观拱桥，前期方案已经确定桥面为拱形且竖曲线半径较小，若采用无推力结构体系，在桥面中难以设置系杆，需要在两承台间设置暗埋式系杆。下面分别对有无推力两种结构体系进行分析。
2.1有推力体系结构分析
对于有推力结构形式，采用MIDAScivil软件建立主拱结构模型，主拱圈采用梁单元模拟，拱上填料和桥面系重力按荷载计，拱脚按固结边界考虑。考虑恒载、人群荷载、收缩徐变作用和温度作用，算得拱脚水平推力最大值为Nx=7495kN，竖向反力最大值为Ny=9296kN。1)浅基础桥台。浅基础桥台可根据桥梁现场情况确定是否设置阻滑板结构，拱的水平推力主要由浅基础基底摩阻力、台后主动土压力和阻滑板基底摩阻力(若设置)来平衡;拱的竖向反力、台上方填土重和基础自重等由浅基础承受。本桥算得基底最大压应力为438kPa。基底位于粉砂层，地基土承载力容许值为120kPa。二者差距较大，若采取地基处理措施大幅提高地基承载力，成本较高，因此本桥不适合采用浅基础加阻滑板结构。2)沉井基础加阻滑板组合式桥台。桥台采用沉井基础加阻滑板结构，拱的水平推力主要由沉井井壁后方主动土压力和阻滑板基底摩阻力来平衡;拱的竖向反力、台上方填土重和基础自重由沉井井壁摩阻力和井底地基承载力承担。本桥桥位地质有粉砂层，沉井排水下沉时易发生流砂现象，可能造成沉井倾斜，因此本桥也不适合采用沉井基础加阻滑板结构。3)群桩基础加阻滑板组合式桥台。采用群桩基础加阻滑板结构，拱的水平推力主要由台后主动土压力和阻滑板基底摩阻力来平衡，桩基础主要承受拱的竖直力。受力分析采用静力平衡法或变形协调法计算。采用静力平衡法时，桩基础可承担10%～25%的水平推力，无斜桩时取低值，有斜桩时取高值［3］。采用变形协调法时，将土视为具有随深度成正比变化的地基系数的弹性变形介质。由于拱桥桥台不宜做水平位移且位移难以准确计算，本次采用静力平衡法计算。本桥每个桥台设置6根桩基础，采用双排桩，桩径1.4m，桩长50m;承台尺寸为宽10m，长6.4m，高2.1m;阻滑板宽度和桥台台身宽度一致，为9m，为保证水平力共线，阻滑板基底标高与拱脚中心标高相近。由于桥面为拱形，阻滑板上方填土高度较低，仅为1.4m。阻滑板板底换填碎石土，摩擦系数取μz=0.3。桥台和阻滑板示意图见图2。土层特性无变化且无汽车荷载时，台后主动土压力按下式计算［4］:其中，Ex为主动土压力的水平分力;B为桥台计算宽度;γ为土的重度;H为计算土层厚度;α为桥台背与竖直面的夹角;β为填土表面与水平面的夹角;φ为土的内摩擦角;δ为台背与填土间的摩擦角。台后主动土压力的水平分力Ex为:Ex=E•cos(α+δ)。式中参数意义同上。阻滑板可提供基底摩阻力F为:F=μz•(G1+G2)。其中，μz为阻滑板板底与土间的摩擦系数;G1为阻滑板重力;G2为阻滑板上方填土重力。该桥无斜桩，水平推力的10%由桩基础承受，其余由台后主动土压力的水平分力和阻滑板提供。计算可得阻滑板厚2.0m时，其长度至少22.5m;阻滑板厚2.5m时，其长度至少19.4m;圬工量分别为810m3和873m3。可见采用阻滑板结构，台后土方开挖量和混凝土工程量均较大。
2.2无推力体系结构分析
无推力结构体系采用暗埋式系杆，按系杆刚度分为柔性系杆和刚性系杆。柔性系杆是在两承台间设置镀锌钢绞线、低应力防腐钢绞线或环氧涂装钢绞线等体外预应力柔性索，通过分阶段张拉、逐级加荷来平衡拱脚水平推力。具有受力明确，受混凝土收缩徐变影响小等优点;也存在预应力索保护层偏弱、耐久性不足、需要周期性更换、分级张拉施工难度较大的缺点。刚性系杆是在两承台间设置预应力钢筋混凝土系杆，通过预加应力来平衡水平推力。其优点是系杆为常规体内预应力构件，耐久性良好;预应力可一次张拉到位，施工简便;拱脚水平位移小，结构安全储备大［5］。缺点是主拱圈、拱座、承台、系杆和桩基均为刚接，结构受力比较复杂。为了便于施工和减少后期养护工作量，本桥采用刚性系杆。在两承台之间设置2道预应力混凝土刚性系杆，系杆截面尺寸为0.6m×0.6m，每道系杆中设置4束9φs15.2钢绞线，锚下控制应力0.75fpk。为保证系杆稳定性，在两系杆之间设置横向和斜向支撑杆。系杆及支撑杆平面布置见图3。
2.2.1结构计算模型
采用MIDAScivil软件建立全桥结构模型，主拱圈、系杆、承台、桩基础采用梁单元模拟，拱上填料和桥面系重力按二期恒载计，主拱圈、系杆、桩基和承台之间采用刚性连接，桩基础边界条件采用土弹簧模拟［6］。作用考虑结构重力、系杆预加力、人群满跨布载、人群半跨布载、收缩徐变作用和温度作用等。结构模型见图4。
2.2.2计算结果
主拱圈按钢筋混凝土构件设计，系杆按A类预应力混凝土构件设计。1)主拱圈内力验算。在作用基本组合下，主拱圈内力及偏心距计算结果如表1所示。主拱圈配筋率大于0.05%，其抗压承载力、抗剪承载力及偏心距均满足规范要求。2)主拱圈挠度。作用短期效应组合下，在一个桥跨范围内的正负挠度的绝对值之和的最大值为9.12mm，小于计算跨径的1/1000，桥梁刚度满足要求。3)主要结构裂缝。正常使用状态主拱圈裂缝最大值0.11mm，小于Ⅲ类近海环境裂缝宽度限值0.15mm，满足规范要求。预应力拉杆未出现拉应力。4)预应力拉杆验算。使用阶段，拉杆混凝土最大压应力2.07MPa，在作用准永久组合下均未出现拉应力，在作用频遇组合下最大拉应力0.85MPa，钢绞线最大拉应力1153.9MPa，均满足规范要求。
3结语
在软土地基地区修建拱桥，需根据具体情况选用适宜的基础形式。若采用有推力结构体系，浅基础桥台基底承载力一般不满足要求;沉井基础或桩基础加阻滑板组合式桥台，其桥台基础和阻滑板结构的圬工体积和基础土方开挖量往往比较大，建议采用无推力结构体系。对于本文所述桥面为拱形的景观拱桥，结合现场地质条件、施工能力以及运营期养护成本等因素，通过对比发现，采用暗埋式刚性系杆结构来平衡拱脚水平推力是一种比较可行的结构形式。
作者：田寿 方合雪 翟考 单位：中交远洲交通科技集团有限公司
