浅谈桥梁下部结构的选型及施工设计便于后期养护

浅谈桥梁下部结构的选型及施工设计便于后期养护李红军(哈密公路总段，新疆

哈密839000)摘要：在桥梁设计的过程中，下部结构的考虑是否得当，对工程造价、工程质量及后期养护使用影响很大，本文结合我在近几年一些施工设计项目有关资料的基础上，对桥梁墩、台的形式选择及结构设计注意事项进行了初步探讨。关键词：

桥梁下部；结构选型；设计与计算；经济1桥台结构型式选用1.1底部设有支撑梁的轻型桥台轻型桥台的特点是，台身体积较小，台身为直立的薄壁墙，台身两侧设有翼墙（用于挡土），可以将侧墙做成斜坡。在两桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，上部结构与桥台通过锚栓连接，构成四铰框架结构系统，并借助两端台后的土压力来保持稳定。这种桥台适用于小跨径桥梁，桥跨孔数与轻型桥墩配合使用时不宜超过三孔，且桥梁全长不宜大于20m，单孔跨径不宜大于13m。按照翼墙（侧墙）的形式和布置方式，这种桥台又可分为：一字形轻型桥台、八字形轻型桥台、耳墙式轻型桥台。1.2钢筋混凝土薄壁桥台薄壁轻型桥台常用的形式有悬臂式、扶壁式、撑墙式、及箱式等。这种桥台是由带扶壁的前墙和侧墙以及水平底板构成。挡土墙由前墙和间距为2.5~3.5m的扶壁组成。台顶由竖直小墙和支于扶壁上的水平板构成，用于支承桥跨结构。两侧薄壁可以与前墙垂直，有时也做成与前墙斜交。相对于重力式桥台而言，可减少污工体积40%~50%，同时因自重减轻而减少了对地基的压力，适用于软土地基的条件，但其构造和施工均较复杂，且用钢量较多。当墩台填土不高，河床不宽时，为了减少桥长，降低造价，不让台前溜坡压缩河床，可采用靠河较近墩台身直立的桩基础薄壁墩台，墩台下面设置支撑梁，整个桥梁形成框架结构体系，并借助两端台后的被动土压力来保持稳定。从已建成通车的公路上的桥梁（下部结构多采用这种型式）来看，情况良好。1.3埋置式桥台埋置式桥台是将台身埋在锥形护坡中，这样，桥台所受的土压力大为减小，桥台的体积也就得到相应减小。但是由于台前护坡是用片石（或混凝土）作表面防护的一种永久性设施，存在着被洪水冲毁而使台身裸露的可能，故设计时必须进行强度和稳定性验算。按台身的结构形式，埋置式桥台可以分为：肋形埋置式桥台、桩柱式埋置式桥台、和框架式桥台。肋形埋置式桥台的台身是由两块（或多块）后倾式的肋板与顶面帽梁连接而成。台高在10m及10m以上者须设置横向系梁。帽梁、系梁和耳墙均需配置钢筋。桩柱式埋置式桥台对于各种土壤地基都适宜。根据桥宽和地基承载能力可以采用单排桩柱式、双排桩柱式及多排桩柱式的形式。柱子嵌固在普通扩大基础之上的称为立柱式；柱与钻孔桩相连的称为桩柱式；完全由一排钢筋混凝土桩和桩顶盖（或帽）梁连接而成的称为柔性柱台。框架式桥台既比桩柱式桥台有更好的刚度，又比肋形埋置式桥台挖空率更高，更节约污工体积。埋置式框架式桥台结构本身存在斜杆，能够产生水平分力以平衡土压力，加之基底较宽，又通过系梁联成一个框架体，所以稳定性较好，可用于路基填土高度在5m以上的桥台，并与跨径为16m和20m的梁式上部结构配合应用，其不足之处是必须用双排桩基，钢筋水泥用量均较桩柱式桥台多。采用该类型式桥台，由于桥下溜坡伸入到桥孔，压缩了河道，为保证路基稳定性，不宜过多地压缩河宽，必要时需适当增加桥跨长度。2．桥墩结构型式选用2.1柱式桥墩柱式桥墩适应性十分广泛，施工方便，分为：（1）带盖梁单排桩柱式桥墩它是用能承受弯矩的盖梁来代替实体式桥墩上的墩帽，当采用桩基础时，需在桩顶设置承台，使各桩共同受力，并通过它使柱与桩相连（一般适用于简支梁桥或先简支后连续的连续梁桥）；（2）不带盖梁独柱式桥墩或排柱式桥墩（一般适用于连续现浇箱梁）。2.2重力式实体桥墩靠自身恒载（包括桥垮结构恒载）来平衡外力（偏心力矩）和保证桥墩的稳定（抗倾覆稳定和抗滑稳定）。因此污工体积较大，阻水面积增大，抗冲击力较差，不宜用在流速大并挟有大量泥沙的河流。对地基承载力的要求高。墩身多做成实体式的，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。2.3钢筋混凝土薄壁墩钢筋混凝土薄壁墩又可分为单肢薄壁墩和双肢薄壁墩两种形式。前者墩身重量较轻，可节约污工材料，适用于地质条件较差时的简支梁桥上;后者适用于墩梁固结的连续刚构桥上（多用于互通式立交的跨线桥上）。2.4选用墩台时的注意事项（1）为了减少软基位移对结构的影响，尽可能减少超静定个数，适当加大桩间距，减少桩的根数。（2）桩底接近基岩表面时，承载力接近或已经达到设计要求时，就没有必要再将桩基础伸入基岩以求更加保险及降低造价，当承载力不满足要求时，可把桩径加大再进行计算，尽可能用摩擦桩代替嵌岩桩，以降低施工难度。（3）在软土地基的路线，由于软土的变形对构造物的危害极大且难以预料，尤其是蠕动变形对结构的危害是致命的，直接影响到结构的耐久性。对软基进行处理，从根本上消除软土对结构物的不利影响，是避免软土地质下桥梁病害发生的有效措施。对于可能对构造物产生不利影响的区域，如桥台、陡坡岸上或邻近桥台的桥墩附近，均应根据软土的物理力学指标、软土厚度，进行相应的软基处理，改造构造物的外部环境，以避免软土的水平向变形对桩基产生附加水平力，并消除蠕动隐患。（4）软土地基由于强度低、易变形，各种不可预见的不利因素对桩基的影响较突出，桩基的最大弯矩点和弯矩零点也可能因受到各种不可预见因素的影响而变化。桩基设计除了在承载力上留有余地外，桩基受弯剪的范围也应考虑留有更大的余地，一般在软土层内不应减少桩基的配筋量，更不能在该区段设置素砼桩。（5）在桥台结构的选择上，宜采用抗水平荷载能力强的桥台形式。柱式桥台水平抗推刚度较小，在水平力作用下变形较大，在深软土地质条件下不宜采用。即使桥台附近的软土进行了改善土体特性的软基处理，由于软基处理可靠度以及时效等方面的原因，也难以保证桩基不承受土体附加力，柱式桥台的使用仍应慎重。群桩基础肋板式桥台水平抗推刚度较大，抵抗水平荷载的能力较强，在软土地质上被广泛应用，效果较好。（6）处于软土地质条件下的跨河桥梁，桥台应尽量远离陡边坡河岸，这样可以消除台前凌空面，减少了由于靠河岸一侧凌空面与台后的土压力差对桩基产生的不利影响。相当于靠近陡边坡河岸设置的短桥而言，长桥台有较大的台前土体压力，对台后填土起到了反压护道的作用，避免了土体变形对桩基产生附加力，也减少了蠕动变形发生的可能性。虽然长桥的上部构造费用多余短桥方案，但其软基处理和下部构造的费用却有可能少于短桥方案。且在结构可靠度方面有明显优势，同时，削弱了桥头跳车现象。3下部结构设计计算为了减少软土地基位移对超静定结构的影响，上部结构多采用标准梁的先简支后连续的构造，这样整个工程的设计计算工作就集中于下部结构的选用和计算，因而下部结构内力计算方法的选择是否正确，考虑因素是否全面，直接关系到整个工程的造价及安全，为此在下部结构的设计过程中，一般进行下列计算：3.1盖梁内力计算《墩台设计手册》中对墩台内力按下列方式进行计算：①当荷载对称布置时，按照杠杆法进行计算；②当荷载偏心布置时，按照偏心受压进行计算，两种布载情况的内力取大值控制设计。这种算法仅为两种布载状况下的内力计算，不是各截面最不利状况的内力计算，计算所得内力存在不安全的因素。内力计算的正确方法应该先画出截面内力影响线，再对影响线用杠杆法及偏心法进行最不利横向布载，求出各截面内力最大、最小值，然后根据内力包络图进行结构配筋。等截面连续盖梁可以用极限状态法，但不能完全套用，负弯矩处需留有富余，变截面连续盖梁只能用容许应力法。盖梁的抗弯配筋主要由裂缝宽度控制。剪力设计，极限法和容许应力法对混凝土与箍筋承担剪力比例作了明确规定，这样梁体往往需要设置大量斜剪力钢筋，给梁内布筋带来困难，配筋时经常通过多设箍筋，让混凝土与箍筋承担更多比例的剪力，使配筋自由度更大。盖梁配筋要注意“强剪弱弯”，大部分梁体的破坏是由于剪力不足造成的，对抗弯钢筋满足要求即可，但对抗剪钢筋一般留有富余，这样偏于安全。3.2桥墩内力计算墩桩顶的最大竖向力计算非常简单，这里不再叙述；墩桩顶水平力计算，运用柔性墩理论中的集成刚度法，将桥面汽车制动力及梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震产生的水平力在全联墩台进行分配，最后根据不同组合的墩桩顶水平力、弯矩及对应墩桩顶竖向力进行桩基各截面内力计算。（1）对于横向陡边坡上的桥墩设计，同一墩位两个（三个）墩柱存在较悬殊的无支长度差异，因刚度差异造成桥墩横桥向受力分配的不均匀。设计时在考虑柔性墩纵向力的分配的同时，还应进行力的横桥向分析。（2）在重山岭区的连续大纵坡地段，如采用柔性墩结构，由于车辆长期单向造成的桥梁累积变位是设计必须考虑的一个问题。刚柔是矛盾的两个方面，提供桥梁的刚度是提高桥梁变位较有效的措施，但是刚度的增加必须以增加投资为代价。所以，在设计中应综合考虑。3.3桥台内力计算桥台除了受与桥墩相似的荷载之外，竖向荷载还增加了土压力、负摩阻力、搭板自重等荷载；水平荷载增加了土压力，其影响复杂，设计时需注意以下几点：（1）①软土地基上带基桩的钢筋混凝土薄壁桥台土压力计算按深层考虑。②软基段桥台应尽量设置为与路线正交的形式，减小台身长度，在适当的位置设置伸缩缝，以缩短受拉区长度，减小台身砼的收缩变形量，抑制台身的竖向、斜向裂缝的发生。③在桥台的承台或基础顶面应设置一定数量的支撑梁，削减基础及下部结构的自由长度，降低结构自身的弯矩，提高结构承载能力。④软基段落的中、小桥，台前台后均应进行一定长度的软基处理过渡，避免因为桥头软基滑移或由施工过程不对称加载引发的其他附加荷载对桥台及桩基产生挤压，造成桥台水平开裂。⑤在薄壁墩台的拉应力区，应配置受拉钢筋，尤其是在靠近台身底部(1/4~1/3）H附近，要根据实际受力情况增配钢筋，同时，水平钢筋与竖向钢筋搭接处应点焊成网格状。（2）埋置式桥台土压力一般是以填土前原地面或一般冲刷线起计算的，对较差土质，需要进行验算，确定是否考虑地面以下台后深层土对桩水平力的影响。台后一定要选用透水、强度高、稳定性好的材料，否则渗水后摩擦角及粘结力下降，自重增加，台后实际受土压力远远大于设计值，使桥台产生滑移、失稳。（3）地震土压力随着桥梁等级的提高而增大，计算时不考虑活载作用。设置搭板的桥台还应考虑搭板作用后活载土压力的改变对桥台产生的有利影响。（4）桥头路基沉降、滑动验算。首先，路基沉降过大、桥头跳车、台背和梁端过早损坏，加大竖向土压力及负摩阻力，造成桥台盖梁开裂及桩基不均匀下沉，路面开裂及路基渗水，促使路基失稳。其次，由于路基滑动使桥台所承受的水平土压力已远大于计算值，对于桥头路基加宽、加高和处于改河、填沟段或路基外不远处有沟、河的，更要注意深层滑动的验算。3.4桩筋及桩长设计注意事项（1）对于桩基各截面的配筋，从理论上来说应根据桩内弯矩包络图进行计算布置。通常是根据最大负弯矩处进行配筋，从桩顶一直伸到最大负弯矩一半处以下一定锚固长度位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零以下一定锚固长度位置，再以下为素混凝土，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。（2）软土地质条件下的桥梁桩基计算不能简单的采用常规计算方法，而应根据实际的受力特点加以分析。就计算方法而言，用“假设有效桩长”，计算桩的最大弯矩及弯矩零点进行配筋的常规方法，在软土地质条件下应慎重采用，以免造成最大弯矩及弯矩零点位置判断的错误，导致配筋长度的不足。（3）在桩基变形较大的情况下，计算应同时考虑桩土特性及受力条件，以整体体系来分析桩的受力模式，以使计算结果接近实际情况。同时，当桩基水平变形量超出“m”法的限制范围时，地基土抗力系数m值宜采用实测值。由于“m”法基本假定与大变形量桩基受力模式存在偏差，也可以考虑其它更接近于该类桩基受力模式的计算方法进行对比计算。（4）当软土地质有可能因某种外力作用产生变形时，如桥台附近未作软基处理，未能在构造物实施前达到软基处理的最终效果时，还应考虑包括软土竖向和横向变形在内作用于桩基的附加力。（5）山岭重丘区，多数桥墩处于基岩裸露的陡边坡上，桩基多为嵌岩桩。在陡边坡的地理环境下，嵌岩桩的嵌岩深度必须考虑两个方面的内容：一是能起到嵌岩作用的嵌岩深度；二是岩石能满足嵌固受力要求所必须的水平宽度。桩基设计中，嵌岩桩嵌岩深度的确定，对结构的安全性和经济性具有非常重要的意义。4结束语在桥梁总体施工设计中，下部结构的形式选择对整个设计方案的确定有着较大影响。确定桥梁下部结构应遵循安全耐久、满足使用的要求，同时造价较低，维修养护方便，与周围的环境相协调，桥梁本身要求造型美观等原则。另外，桥梁下部结构的设计与结构受力、土质构造、水文和地质条件、河床流速及基础埋置深度有关。同时，要考虑下部结构要经受洪水、地震、桥梁活载等的动力作用，以确