0 引 言

拱桥一般修建在地质条件一致、两岸地形相似的坚硬土层或岩石上[1]，但在丘陵地区城市桥梁设计中，由于城市景观要求一般较高，可能遇到在河岸两侧地质不同，采用基础形式不同时仍采用拱桥设计的方案。由于两岸地质条件不连续，此类拱桥在地震时两岸相对位移较一般拱桥更大，地震作用下的内力也更为不利。由于在采用群桩基础时，随着拱座和承台埋深不同、桩基数量和直径不同，以及台后填土种类和密实度不同，基础对拱脚的约束能力均不相同，而桩顶位移和拱脚位移也不相同，相应的拱桥的抗震能力也不相同，因此，合理的设计方案、计算模型和边界条件是保证此类桥梁结构合理和安全的重要条件。

由于国内外的研究成果中对桥梁上部结构的地震反应分析较多，而涉及基础和上部结构共同作用下的地震分析成果相对较少[2]，而针对拱桥基础对其位移和抗震能力影响的分析则更少，因此本文以某一拱桥为例，从桩基布置形式、台后填土约束、地基抗力系数等三个方面分析拱桥基础对其抗震能力的影响，在此基础上总结出拱桥基础的优化设计方案。

1 工程概况

该桥上跨河道处规划堤岸上口宽50～80 m，与河道中线交角约80°～90°。按照总体规划的要求，该处桥梁需要一跨跨越河面，避免水中设墩对水利和航道的影响，根据相关单位提供的河堤规划、通航、行洪等基础资料，同时结合业主意见及实际情况，考虑道路景观，详细研究论证了桥梁孔跨布置及桥型方案，故采用1-85 m 钢筋混凝土箱形拱桥。

本桥矢跨比1/7.73，拱轴系数m=1.756，拱箱中心高1.8 m，桥面结构采用10-9.2 m 钢筋混凝土π 形梁，桥梁全长240 m。桥面宽度为6.0 m人行道+11.75 m 车行道+0.5 m 防撞护栏+1.5 m中央分隔带+0.5 m 防撞护栏+11.75 m 车行道+6.0 m 人行道=38.0 m。

桥址区河道两岸属于河流侵蚀地貌，桥梁起点侧河岸为河流侵蚀地貌，持力层为中风化砂岩，中风化基岩以上覆盖层厚度为7.7 m，分别为4.4 m 粉质黏土和3.3 m 强风化砂岩。桥梁终点侧河岸为人工回填平整地貌, 持力层为中风化泥岩，中风化基岩以上覆盖层厚度为14.3 m，分别为9.6 m 素填土和4.7 m 强风化砂岩。有关地层的设计参数建议值见表1、表2。

根据地勘资料，起点侧拱脚处覆土厚度较小，持力层基岩承载力较高，宜采用扩大基础；终点侧拱脚处覆土厚度较大，若仍采用扩大基础，则基础最大高度达15.6 m，基础体量大，对基岩承载力要求高，经济性较差，且开挖基坑达16 m 左右，施工风险较大，故宜采用群桩基础。

根据勘察报告，本桥桥位处为Ⅱ类场地，基本地震动峰值加速度为0.10g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s，场地设计分组为第一组，本文主要根据规范[3]，对该桥进行E2 地震作用组合工况下的位移和抗震能力进行对比分析。

表1 地基土主要物理力学指标建议值表地基承载力基本容许值[fa0]/kPa素填土 19.0 / 20 60耕土 19.0 / / /泥岩（强风化） 22.5 50 22 300泥岩（中风化） 24.0 100 30 700砂岩（强风化） 22.5 40 24 300砂岩（中风化） 24.0 80 33 1 000岩土名称 天然容重γ/（kN·m-3）黏聚力c/kPa内摩擦角w /(°)

表2 单轴抗压强度标准值建议值表天然状态下单轴抗压强度frk/MPa泥岩（中风化） / 4.73砂岩（中风化） 11.1 /岩层名称 饱和状态下单轴抗压强度frk /MPa

2 拱桥模拟分析方法

对于一般桥梁，进行抗震分析时通常采用的是结构构件模型[4]，即基于结构的力和位移关系，将结构离散为杆件，在模型中反映出原结构的总体几何特征。在拱桥采用群桩基础时，仅以杆系结构已难以准确反映主拱与基础、基础和桩基的连接关系，以及承台和拱座与填土间的相互作用关系，为使模型更接近实际情况，本文采用构件模型和实体模型结合的方法建模，即主拱、拱上建筑及桩基部分采用梁单元模拟，拱座和承台采用实体单元建模，土体约束采用面弹性支撑或节点弹性支撑模拟。

3 拱桥基础抗震影响因素

由于混凝土拱桥一般为无铰拱，对拱脚位移较为敏感，所以一般拱脚位移更大时，相应的主拱内力也更为不利，因此控制桩顶和拱脚位移是拱桥抗震设计的关键。

本部分主要研究桩基布置形式、台后填土约束、地基抗力系数取值等因素对桩基和拱脚位移的影响，进而提出相应的优化设计建议。

3.1 桩基布置形式的影响

一般情况下，群桩基础的桩径和桩基数量主要根据桩基承载力确定，由于混凝土拱桥拱脚水平推力大，而其对拱脚位移又较为敏感，故在拱桥群桩基础设计时要兼顾拱脚位移、桩基承载力、桩基抗裂等方面综合考虑。根据规范[5]条文，群桩基础的桩基直径、间距、沿作用力方向的排数以及每排桩的数量都会影响桩基变形，因此，在满足拱桥群桩承载能力的基础上，需要进一步确定有利于控制地震作用下桩顶和拱脚位移的基础布置方案。

文章来源：《基础教育论坛》 网址: http://www.jcjylt.cn/qikandaodu/2021/0214/680.html