肋板式桥台优化设计

肋板式桥台优化设计—2013・10・23肋板式桥台优化设计张忠效1熊虹娇1杨焱华2（1.深圳市市政设计研究院有限公司西安分公司西安710000；2.中交通力建设股份有限公司西安710000）摘要：本文在典型工程案例分析的基础上，介绍了肋板式桥台的受力特点及构造，并在优化设计方面进行了一些探索。文章最后针对肋台在台后填土高度方面的局限性建议了替代方案，以供同行参考。关键词：肋板式桥台；优化设计；经验尺寸；座凳式桥台0前言肋板式桥台简称肋台（图1）,又称肋式桥台、肋墙式桥台、肋形埋置式桥台等，是埋置式桥台的一种，属于轻型台的范畴［1］。由于其台身挖空率高、挡土面积小、抗推刚度大、经济节约，为广大桥梁设计者所熟知和采用，是当前一般梁式桥常用的桥台类型。配置桩基础的肋式台受力有一定的复杂性，简单地套用通用图或参考图而不进行具体分析，容易因处置失当而增加施工难度、影响工程经济，甚至危及结构安全。笔者拟通过实际工程案例分析，对肋台的受力特点和构造作些简要介绍，并就其优化设计提出某些看法和意见，不当之处敬请批评指正。典型案例及分析1.1案例说明某桥设计采用4M0m简支空心板，桥台尺寸如图2所示（本文各图尺寸均以厘米为单位，不另说明），0号台台后填土高度（以下简称“填高”）5.6米，台高（台帽顶至承台顶面的高度）4.5米，4号台填高7米，台高5.9米。该桥桩基施工时在强风化岩层草率终孔并成桩，未按设计要求嵌入中风化岩层，后经发现，重新验算，桩长无法满足设计承载力的要求，彼时承台尚未浇筑，空心板也未预制，大家都急于寻求经济可行的解决方案。1.2案例分析笔者分析认为，问题虽然因施工引起（如桩基嵌岩，本案不会出现桩基承载力不足等安全问题），但本案例桥台在设计上也存在某些构造缺陷，有盲目套图、处置失当之嫌。针对原设计桥台构造，分析如下：一、各部构造尺寸对本案的影响桩基直径：对于填高11米以下（台高9米以下）的配桩基肋台，1.2米桩径可满足要求⑵，原设计采用1.4米的桩径大于常规，失于经济。但本案例所急正是桩基承载力不足，正可加以利用。基桩间距：对于一般联长的连续梁桥，顺桥向桩距一般采用3.5米，可满足制动力、温度力等水平力对桥台的作用。简支结构桥梁水平力一般较连续梁小，基桩间距理应较小，一般取3.2〜3.5米。原设计基桩间距3.6米偏大，但对减小由外力矩引起的桩顶竖直力是有利的，故也是解决本案问题的有利因素。系梁尺寸：承台系梁断面宽度一般取1.5米，仅当承台规模较大或地基条件较差（如软土层较厚）时才有必要加强，本案系梁宽度2米可优化为1.5米，在减轻系梁自重的同时，又可减小系梁上土体的重量。承台埋深：如本案，不少设计者习惯将埋置式桥台的承台顶面置于天然地面线以下，这不仅增大了基坑开挖方量、增加了基坑排水难度，还无谓地增加了桥台高度，降低了工程经济性。分析原因，可能和设计者对承台埋深的误解有关。我们习惯将承台、系梁顶面埋置于地表以下0.5〜1.0米，往往是为了避免地表植物根茎、

田间劳作、各种机械行驶、作业等对地下结构物造成损伤（有冻涨时另有埋深要求）。但对于埋置式桥台的承台，显然不存在上述状况，所以无需将承台完全置于天然地面线以下，相对合理的做法是保证承台底面埋入地面线以下不小于0.5米，同时相应考虑承台侧面土压力。本案例基桩已经浇注完成，此时抬高承台增加桩长对提高承载力无益，故不予处理。肋板厚度：本案桥宽12米，设计肋板厚1.2米，可优化为1.0米，在减轻自重、节约材料用量的同时，可相应减小台后土压力。二、基础相对于肋板的合理位置桥台高度是随着台后路基填土高度变化而变化的，采用桩基础的肋式桥台为适应台后路基填土高度的变化,同时又需满足规范关于'同一桩基中不宜采用桩端深度相差过大的桩'的要求，不仅要确定好桥台各部合理的尺寸，而且应十分重视肋板与基础的相对位置。双排桩基础桥台在土压力和上部结构、台身等竖直力作用下形成对承台底面中心的力矩将使各桩产生桩顶弯矩，特别是产生前后排基桩的轴力差，以抵抗和平衡外力矩。基础相对于肋板的位置愈不合理，则前、后排基桩的轴力差愈大，由轴向力决定的前、后排基桩桩长便相差愈大。L3T;尊FH总■*■•,整<n设计时，如图3所示，除L2值决定于肋板受力需要外，L1、L3均可调整,增大L1、减小L3，则基础向岸侧移动，反之基础向河侧移动。只要找到一个较为合理的位置，使恒载、活载对承台底面中心产生的综合力矩M尽可能小，则前后排基桩的轴力差和桩长差即可明显降下来。一般地，随着L3T;尊FH总■*■•,整<n工程设计时，为避免同一基础前后排桩长不一致造成设计复杂化和施工差错，一般取前、后排基桩计算长度的较大值作为整个桥台的统一桩长。所以前、 350p|yo后排基桩的轴力差越大，设计桩长越不经济。同时，基础位置愈不合理，桩顶截面由外力矩产生的弯矩也愈大,对基桩的抗弯、抗裂要求也愈高。表1列出跨径20〜30米预制装配式连续箱梁所用肋台的经验尺寸数据［2］供参考。由于各桥荷载等级、跨径、结构类型及尺寸等的差异，实际设计时应据各桥实际情况，由计算调整出相对合理的基础位置。跨径20〜30米预制装配式连续箱梁用肋台经验尺寸表1H(m)6.07.08.09.01011L1(cm)162.5150137.512097.575L2(cm)357.5370382.5395407.5420L3(cm)505050556575L4(cm)570570570570570570由表1可知，本案例桥台所拟基础位置过于偏向河侧，支座中心线仅偏出后排基桩中心0.1米，致使竖直力大部分由后排桩基承受，前排基桩对分担竖直力的贡献非常有限。这是本案桥台构造上最大的问题，也是造成桩基承载力不足的主因。1.3解决方案经上述分析，虽然问题较多，但发现较早，趋利避害，尚有可为。笔者经计算后提出图4所示解决方案，将边跨跨径减短1.2米，由20米变更为是造成桩基承载力不足的主因。1.3解决方案经上述分析，虽然问题较多，但发现较早，趋利避害，尚有可为。笔者经计算后提出图4所示解决方案，将边跨跨径减短1.2米，由20米变更为18.8米，肋板底宽由4.2米调整为3.65米，肋板厚由1.2米调整为1.0米，系梁断面宽由2.0米调整为1.5米，承台、桩基尺寸及位置均保持不变，肋板及以上桥台部分整体前移，使基础位置趋于合理，达到降低对基础承载力要求的目的。试算及调—…:-整过程如表2所示。本案桥台变更调整试算过程 表2过程序号调整项目0号桥台4号桥台计算结果分析桩顶轴向力(KN)最大桩长(m)桩顶轴向力(KN)最大桩长(m)岸侧河侧岸侧河侧1原设计3296147717.443409174118.48实际桩长16m,桩长不足2肋板厚1米，系梁宽1.5米，L1=0.9m,L2=4.2m，L3=0.9m3119154216.643228179217.67计算桩长减短，表明原设计基础过于偏向河侧。3L1=1.1m，L2=4.2m，L3=0.7m，其它不变3022168016.23132193017.23计算桩长继续减短4L1=1.3m,L2=4.2m，L3=0.5m2923181915.75<163034206716.790#台桩长开始满足要求5L1=1.5m,L2=4.0m，L3=0.5m2820195715.282931220716.326L1=1.7m，L2=3.8m，L3=0.5m2716209414.812826234815.84<164#台桩长开始满足要求7L1=1.9m,L2=3.6m，L3=0.5m2610223214.332720248815.368L1=2.1m,L2=3.4m,L3=0.5m2502237013.842612262915.004#台出现最短桩长9L1=2.2m,L2=3.3m,L3=0.5m2448243913.592557269915.270#台出现最短桩长10L1=2.3m,L2=3.2m,L3=0.5m2393250813.872502276915.58基础过于靠后，试算结束表2试算调整过程验证了基础位置合理的重要性，0号台计算桩长从17.44米可调至最短13.84米，4号台计算桩长从18.48米可调至最短15米。考虑到调整后的边跨跨径相同有利于空心板预制，方案最终选择将两桥台尺寸统一为L1=1.85米，L2=3.65m,L3=0.5m，边跨梁长统一减短1.2米，计算桩长小于实际桩长16米,桩基承载力满足要求。该调整方案得到原设计单位及业主肯定，避免了基桩返工及由此引起的经济和工期上的损失。座凳式桥台的采用直接置于承台上，该型桥台外形酷似一条四腿板凳，故暂名为座凳式桥台(也有叫座板式桥台的，感觉不如座凳形象易懂)。座凳台填补了柱台和肋台之间的填高空白区，在节省投资和缩短工期方面均较为有利。目前该类型桥台在具体构造上发展出几种不同的样式，但基本原理及思路都差不多，图6所示即为经笔者稍加改进后的座凳台构造，与肋台类似，视填高不同，承台中心常向台帽中心线外侧作适当偏移，以获得更好的抗倾覆性1/4能。《桥梁大师2012》程序中新增名为“座板台”的桥台类型与此类似，说明该类型桥台已逐渐被大家认可。但该“座板台”承台与台帽处于同一高度，无法如图6般将承台隐藏在护坡内，影响桥下美观，故此类桥台的设计尚可进一步探讨。图6-1 Ail 图6-2 1门尸讦结语综上所述，肋板式桥台由于构造及受力方面均有一定的复杂性，可供优化的空间较大，归纳如下：1、 基础相对于肋板的合理位置。对前、后两排基桩的均衡受力影响较大，这一优化原则同样适用于配置扩大基础的肋式台。2、 顺桥向前、后两排基桩的间距。根据杠杆原理，在同样大小的顺桥向外力矩作用下，该间距越大，产生的前、后排基桩轴力差越小。同时，该间距越大，对承台强度的要求越高。3、 横桥向肋板片数。主要与桥宽、台高、台帽横桥向跨径等有关，增加一片肋板，即需相应增加一个承台和两根基桩，台后土压力也将相应增加，故肋板片数对材料用量和工程经济影