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等截面悬链线圬工拱桥设计

一、引言

在桥梁工程的历史长河中，圬工拱桥以其独特的魅力占据着重要地位。它凭借就地取材的经济性、结构形式的优美以及良好的耐久性，在中小跨径桥梁建设中得到了广泛应用。等截面悬链线圬工拱桥，作为圬工拱桥中一种经典的结构形式，其设计理论成熟，施工工艺相对简便，至今仍在适宜条件下被积极采用。本文旨在从设计理念、核心参数选取、结构分析、构造细节及施工要点等方面，系统阐述此类桥梁的设计思路与关键技术，为工程实践提供参考。

二、设计理念与核心概念

（一）圬工材料特性与结构响应

圬工材料，诸如砖、石、混凝土预制块及就地浇筑的素混凝土，其共同特点是抗压强度较高而抗拉、抗剪强度相对较低。这一基本特性决定了圬工拱桥的设计必须遵循“以承压为主，避免或限制受拉”的原则。理想状态下，应通过合理的结构形式与尺寸设计，使拱圈在主要荷载作用下处于单向受压状态，以充分发挥圬工材料的优势。

（二）悬链线拱轴线的优越性

拱轴线的选择是拱桥设计的核心环节之一。悬链线作为一种自然悬挂链条所形成的曲线，其形状与均布荷载作用下的压力线形态相近。对于等截面拱桥，当恒载在拱圈上的分布接近均匀或按某种规律变化时，悬链线拱轴线能够较好地适应荷载产生的弯矩分布，从而有效降低拱圈内的附加内力，使结构受力更为合理。相较于圆弧线等其他拱轴线形式，悬链线在恒载与活载组合作用下，往往能产生更小的弯矩和拉力，更符合圬工材料的力学特性。

（三）等截面的经济性与适用性

“等截面”意味着拱圈在整个跨度内具有相同的截面尺寸。这一设计简化了模板制作与安装工艺，便于施工组织，尤其对于圬工砌筑而言，统一的截面形式有利于保证施工质量和速度，从而降低工程造价。等截面设计通常适用于跨径不太大的桥梁，此时拱圈内力沿跨径的变化尚不足以要求采用变截面来优化材料分布。

三、主要设计参数与计算分析

（一）拱轴线型的确定

悬链线拱轴线的方程由拱轴系数（m）所决定，其表达式基于拱顶和拱脚处的恒载集度比值。拱轴系数m的选择直接影响拱圈的受力状态。设计中，需根据拱上建筑的类型（空腹式或实腹式）及其重量分布特点，通过计算确定合理的m值。一般而言，对于实腹式拱，m值可由拱顶与拱脚恒载集度的比值直接求得；对于空腹式拱，则需考虑腹孔布置对恒载分布的影响，通常通过试算或经验公式初步拟定，再结合结构分析进行调整，力求拱轴线与恒载压力线尽可能吻合。

（二）拱圈截面尺寸拟定

拱圈截面形式（如矩形、T形、箱形等，圬工拱以矩形和实体截面居多）和尺寸的拟定，需综合考虑强度、稳定性及施工条件。初步拟定截面尺寸时，可参考类似工程经验，根据跨径大小、荷载等级、材料强度等因素，先确定拱圈的厚度和宽度。随后，通过结构内力计算，验算在最不利荷载组合下，拱圈各控制截面（拱顶、拱脚、L/4截面等）的抗压强度、抗剪强度是否满足规范要求，并据此对截面尺寸进行调整。需注意，圬工材料的强度设计值应根据其种类和标号严格选用。

（三）结构内力分析要点

等截面悬链线圬工拱桥的内力分析，主要包括恒载内力和活载内力两部分。

1.恒载内力计算：鉴于悬链线拱轴线与恒载压力线的紧密联系，恒载内力计算是悬链线拱设计的基础。可采用弹性中心法或力法等结构力学方法进行精确计算。对于等截面悬链线拱，已有较为成熟的解析公式和图表可供选用，通过查用相应的系数表，可简化计算过程。需注意，空腹式拱的恒载分布较实腹式更为复杂，需分段考虑。

2.活载内力计算：活载（主要指车辆荷载）内力计算的关键在于确定活载的最不利布置位置。对于拱桥而言，活载的横向分布系数对内力值影响显著，需根据桥面宽度、拱圈刚度及横向连接情况（如是否设置横系梁）进行计算。纵向活载布置则需考虑使拱圈各控制截面产生最大正弯矩、最大负弯矩或最大轴向力等不利情况。将恒载内力与活载内力进行组合，即可得到设计所需的最不利内力。

（四）稳定性验算

除强度验算外，拱桥的稳定性验算至关重要，尤其是对于矢跨比较小的拱桥。稳定性验算包括整体稳定性和局部稳定性。整体稳定性通常指拱轴线在平面内的屈曲稳定，可通过计算其临界荷载并与设计荷载比较来评估。圬工拱的整体稳定性一般能通过合理的矢跨比和截面尺寸设计得到保证，但在设计中仍需给予足够重视，必要时可通过设置横撑等措施增强其稳定性。

四、构造设计要点

（一）拱上建筑布置

拱上建筑的形式（空腹式或实腹式）直接影响恒载的分布和大小，进而影响拱轴线的选择和内力状态。

1.实腹式拱上建筑：构造简单，施工方便，但自重较大，适用于小跨径桥梁。其填料厚度和桥面系重量需均匀分布。

2.空腹式拱上建筑：通过设置腹孔（如拱式腹孔、梁式腹孔）减轻了拱上建筑的自重，可改善拱圈的受力性能，适用于中等跨径桥梁。腹孔的布置应均匀对称，避免对拱圈产生过大的局部弯矩。腹孔墩的设计应保证其自身强度和刚度，与主拱圈的连接应