肋板式橋臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、肋板式橋臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì) 張忠效1 熊虹嬌1 楊焱華2 （1深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司西安分公司 西安 710000；2中交通力建設(shè)股份有限公司 西安 710000）摘要：本文在典型工程案例分析的基礎(chǔ)上，介紹了肋板式橋臺(tái)的受力特點(diǎn)及構(gòu)造，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一些探索。文章最后針對(duì)肋臺(tái)在臺(tái)后填土高度方面的局限性建議了替代方案，以供同行參考。關(guān)鍵詞：肋板式橋臺(tái)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；經(jīng)驗(yàn)尺寸；座凳式橋臺(tái)0 前言圖1肋板式橋臺(tái)簡(jiǎn)稱肋臺(tái)（圖1），又稱肋式橋臺(tái)、肋墻式橋臺(tái)、肋形埋置式橋臺(tái)等，是埋置式橋臺(tái)的一種，屬于輕型臺(tái)的范疇1。由于其臺(tái)身挖空率高、擋土面積小、抗推剛度大、經(jīng)濟(jì)節(jié)約，為廣大橋梁設(shè)計(jì)者所熟知和采用，是當(dāng)

2、前一般梁式橋常用的橋臺(tái)類型。配置樁基礎(chǔ)的肋式臺(tái)受力有一定的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單地套用通用圖或參考圖而不進(jìn)行具體分析，容易因處置失當(dāng)而增加施工難度、影響工程經(jīng)濟(jì)，甚至危及結(jié)構(gòu)安全。筆者擬通過(guò)實(shí)際工程案例分析，對(duì)肋臺(tái)的受力特點(diǎn)和構(gòu)造作些簡(jiǎn)要介紹，并就其優(yōu)化設(shè)計(jì)提出某些看法和意見(jiàn)，不當(dāng)之處敬請(qǐng)批評(píng)指正。1 典型案例及分析圖21.1案例說(shuō)明某橋設(shè)計(jì)采用4×20m簡(jiǎn)支空心板，橋臺(tái)尺寸如圖2所示（本文各圖尺寸均以厘米為單位，不另說(shuō)明），0號(hào)臺(tái)臺(tái)后填土高度（以下簡(jiǎn)稱“填高”）5.6米，臺(tái)高（臺(tái)帽頂至承臺(tái)頂面的高度）4.5米，4號(hào)臺(tái)填高7米，臺(tái)高5.9米。該橋樁基施工時(shí)在強(qiáng)風(fēng)化巖層草率終孔并成樁，未按設(shè)計(jì)要

3、求嵌入中風(fēng)化巖層，后經(jīng)發(fā)現(xiàn)，重新驗(yàn)算，樁長(zhǎng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)承載力的要求，彼時(shí)承臺(tái)尚未澆筑，空心板也未預(yù)制，大家都急于尋求經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。1.2案例分析筆者分析認(rèn)為，問(wèn)題雖然因施工引起（如樁基嵌巖，本案不會(huì)出現(xiàn)樁基承載力不足等安全問(wèn)題），但本案例橋臺(tái)在設(shè)計(jì)上也存在某些構(gòu)造缺陷，有盲目套圖、處置失當(dāng)之嫌。針對(duì)原設(shè)計(jì)橋臺(tái)構(gòu)造，分析如下：一、各部構(gòu)造尺寸對(duì)本案的影響樁基直徑：對(duì)于填高11米以下（臺(tái)高9米以下）的配樁基肋臺(tái)，1.2米樁徑可滿足要求2，原設(shè)計(jì)采用1.4米的樁徑大于常規(guī)，失于經(jīng)濟(jì)。但本案例所急正是樁基承載力不足，正可加以利用?；鶚堕g距：對(duì)于一般聯(lián)長(zhǎng)的連續(xù)梁橋，順橋向樁距一般采用3.5米，可滿

4、足制動(dòng)力、溫度力等水平力對(duì)橋臺(tái)的作用。簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)橋梁水平力一般較連續(xù)梁小，基樁間距理應(yīng)較小，一般取3.23.5米。原設(shè)計(jì)基樁間距3.6米偏大，但對(duì)減小由外力矩引起的樁頂豎直力是有利的，故也是解決本案問(wèn)題的有利因素。系梁尺寸：承臺(tái)系梁斷面寬度一般取1.5米，僅當(dāng)承臺(tái)規(guī)模較大或地基條件較差（如軟土層較厚）時(shí)才有必要加強(qiáng)，本案系梁寬度2米可優(yōu)化為1.5米，在減輕系梁自重的同時(shí)，又可減小系梁上土體的重量。承臺(tái)埋深：如本案，不少設(shè)計(jì)者習(xí)慣將埋置式橋臺(tái)的承臺(tái)頂面置于天然地面線以下，這不僅增大了基坑開(kāi)挖方量、增加了基坑排水難度，還無(wú)謂地增加了橋臺(tái)高度，降低了工程經(jīng)濟(jì)性。分析原因，可能和設(shè)計(jì)者對(duì)承臺(tái)埋深的誤解有

5、關(guān)。我們習(xí)慣將承臺(tái)、系梁頂面埋置于地表以下0.51.0米，往往是為了避免地表植物根莖、田間勞作、各種機(jī)械行駛、作業(yè)等對(duì)地下結(jié)構(gòu)物造成損傷（有凍漲時(shí)另有埋深要求）。但對(duì)于埋置式橋臺(tái)的承臺(tái)，顯然不存在上述狀況，所以無(wú)需將承臺(tái)完全置于天然地面線以下，相對(duì)合理的做法是保證承臺(tái)底面埋入地面線以下不小于0.5米，同時(shí)相應(yīng)考慮承臺(tái)側(cè)面土壓力。本案例基樁已經(jīng)澆注完成，此時(shí)抬高承臺(tái)增加樁長(zhǎng)對(duì)提高承載力無(wú)益，故不予處理。肋板厚度：本案橋?qū)?2米，設(shè)計(jì)肋板厚1.2米，可優(yōu)化為1.0米，在減輕自重、節(jié)約材料用量的同時(shí)，可相應(yīng)減小臺(tái)后土壓力。二、基礎(chǔ)相對(duì)于肋板的合理位置圖3橋臺(tái)高度是隨著臺(tái)后路基填土高度變化而變化的，采

6、用樁基礎(chǔ)的肋式橋臺(tái)為適應(yīng)臺(tái)后路基填土高度的變化，同時(shí)又需滿足規(guī)范關(guān)于同一樁基中不宜采用樁端深度相差過(guò)大的樁的要求，不僅要確定好橋臺(tái)各部合理的尺寸，而且應(yīng)十分重視肋板與基礎(chǔ)的相對(duì)位置。雙排樁基礎(chǔ)橋臺(tái)在土壓力和上部結(jié)構(gòu)、臺(tái)身等豎直力作用下形成對(duì)承臺(tái)底面中心的力矩將使各樁產(chǎn)生樁頂彎矩，特別是產(chǎn)生前后排基樁的軸力差，以抵抗和平衡外力矩?；A(chǔ)相對(duì)于肋板的位置愈不合理，則前、后排基樁的軸力差愈大，由軸向力決定的前、后排基樁樁長(zhǎng)便相差愈大。設(shè)計(jì)時(shí)，如圖3所示，除L2值決定于肋板受力需要外，L1、L3均可調(diào)整，增大L1、減小L3，則基礎(chǔ)向岸側(cè)移動(dòng)，反之基礎(chǔ)向河側(cè)移動(dòng)。只要找到一個(gè)較為合理的位置，使恒載、活載對(duì)

7、承臺(tái)底面中心產(chǎn)生的綜合力矩M盡可能小，則前后排基樁的軸力差和樁長(zhǎng)差即可明顯降下來(lái)。一般地，隨著H的增大，臺(tái)后土壓力相應(yīng)增大，要求基礎(chǔ)相應(yīng)逐漸往河側(cè)移動(dòng)，依靠N相對(duì)承臺(tái)中心后移新增力矩平衡因臺(tái)后土壓力增加的新增力矩，使M始終維持在一個(gè)較低的水平。工程設(shè)計(jì)時(shí)，為避免同一基礎(chǔ)前后排樁長(zhǎng)不一致造成設(shè)計(jì)復(fù)雜化和施工差錯(cuò)，一般取前、后排基樁計(jì)算長(zhǎng)度的較大值作為整個(gè)橋臺(tái)的統(tǒng)一樁長(zhǎng)。所以前、后排基樁的軸力差越大，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)越不經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，基礎(chǔ)位置愈不合理，樁頂截面由外力矩產(chǎn)生的彎矩也愈大，對(duì)基樁的抗彎、抗裂要求也愈高。表1列出跨徑2030米預(yù)制裝配式連續(xù)箱梁所用肋臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)尺寸數(shù)據(jù)2 供參考。由于各橋荷載等級(jí)、跨

8、徑、結(jié)構(gòu)類型及尺寸等的差異，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)據(jù)各橋?qū)嶋H情況，由計(jì)算調(diào)整出相對(duì)合理的基礎(chǔ)位置?？鐝?030米預(yù)制裝配式連續(xù)箱梁用肋臺(tái)經(jīng)驗(yàn)尺寸 表1H (m)6.07.08.09.01011L1(cm)162.5150137.512097.575L2(cm)357.5370382.5395407.5420L3(cm)505050556575L4(cm)570570570570570570圖4由表1可知，本案例橋臺(tái)所擬基礎(chǔ)位置過(guò)于偏向河側(cè)，支座中心線僅偏出后排基樁中心0.1米，致使豎直力大部分由后排樁基承受，前排基樁對(duì)分擔(dān)豎直力的貢獻(xiàn)非常有限。這是本案橋臺(tái)構(gòu)造上最大的問(wèn)題，也是造成樁基承載力不足的主因。

9、1.3解決方案經(jīng)上述分析，雖然問(wèn)題較多，但發(fā)現(xiàn)較早，趨利避害，尚有可為。筆者經(jīng)計(jì)算后提出圖4所示解決方案，將邊跨跨徑減短1.2米，由20米變更為18.8米，肋板底寬由4.2米調(diào)整為3.65米，肋板厚由1.2米調(diào)整為1.0米，系梁斷面寬由2.0米調(diào)整為1.5米，承臺(tái)、樁基尺寸及位置均保持不變，肋板及以上橋臺(tái)部分整體前移，使基礎(chǔ)位置趨于合理，達(dá)到降低對(duì)基礎(chǔ)承載力要求的目的。試算及調(diào)整過(guò)程如表2所示。 本案橋臺(tái)變更調(diào)整試算過(guò)程 表2過(guò)程序號(hào)調(diào)整項(xiàng)目0號(hào)橋臺(tái)4號(hào)橋臺(tái)計(jì)算結(jié)果分析樁頂軸向力(KN)最大樁長(zhǎng)（m）樁頂軸向力(KN)最大樁長(zhǎng)（m）岸側(cè)河側(cè)岸側(cè)河側(cè)1原設(shè)計(jì)3296147717.44340917

10、4118.48實(shí)際樁長(zhǎng)16m，樁長(zhǎng)不足2肋板厚1米，系梁寬1.5米，L1=0.9m，L2=4.2m，L3=0.9m3119154216.643228179217.67計(jì)算樁長(zhǎng)減短，表明原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)過(guò)于偏向河側(cè)。3L1=1.1m，L2=4.2m，L3=0.7m，其它不變3022168016.23132193017.23計(jì)算樁長(zhǎng)繼續(xù)減短4L1=1.3m，L2=4.2m，L3=0.5m2923181915.75<163034206716.790#臺(tái)樁長(zhǎng)開(kāi)始滿足要求5L1=1.5m，L2=4.0m，L3=0.5m2820195715.282931220716.326L1=1.7m，L2=3.8m，

11、L3=0.5m2716209414.812826234815.84<164#臺(tái)樁長(zhǎng)開(kāi)始滿足要求7L1=1.9m，L2=3.6m，L3=0.5m2610223214.332720248815.368L1=2.1m，L2=3.4m，L3=0.5m2502237013.842612262915.004#臺(tái)出現(xiàn)最短樁長(zhǎng)9L1=2.2m，L2=3.3m，L3=0.5m2448243913.592557269915.270#臺(tái)出現(xiàn)最短樁長(zhǎng)10L1=2.3m，L2=3.2m，L3=0.5m2393250813.872502276915.58基礎(chǔ)過(guò)于靠后，試算結(jié)束表2試算調(diào)整過(guò)程驗(yàn)證了基礎(chǔ)位置合理的重要

12、性，0號(hào)臺(tái)計(jì)算樁長(zhǎng)從17.44米可調(diào)至最短13.84米，4號(hào)臺(tái)計(jì)算樁長(zhǎng)從18.48米可調(diào)至最短15米。考慮到調(diào)整后的邊跨跨徑相同有利于空心板預(yù)制，方案最終選擇將兩橋臺(tái)尺寸統(tǒng)一為L(zhǎng)1=1.85米，L2=3.65m，L3=0.5m，邊跨梁長(zhǎng)統(tǒng)一減短1.2米，計(jì)算樁長(zhǎng)小于實(shí)際樁長(zhǎng)16米，樁基承載力滿足要求。該調(diào)整方案得到原設(shè)計(jì)單位及業(yè)主肯定，避免了基樁返工及由此引起的經(jīng)濟(jì)和工期上的損失。圖52 座凳式橋臺(tái)的采用各型橋臺(tái)均有其適用的填高范圍，如柱式橋臺(tái)因剛度較小，僅適用于填高45米以下，肋臺(tái)適用的填高范圍一般為611米（高于11米時(shí)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)，如增加肋間橫系梁，相應(yīng)調(diào)整各部結(jié)構(gòu)尺寸等）。這就出現(xiàn)了一種

13、比較尷尬的現(xiàn)象，在填高46米范圍內(nèi)時(shí)，采用柱式臺(tái)偏于不安全，不少設(shè)計(jì)者會(huì)強(qiáng)行采用肋臺(tái)，這就是我們?cè)诠こ虒?shí)際中經(jīng)常見(jiàn)到那種低矮的肋板臺(tái)的原因，此時(shí)如不注意收縮肋板底部寬度，則肋臺(tái)將變得較為畸形（圖5）。對(duì)于填高47米的橋臺(tái)，有一種較好的做法是在雙排樁肋式臺(tái)的基礎(chǔ)上，取消肋板和承臺(tái)系梁，將臺(tái)帽直接置于承臺(tái)上，該型橋臺(tái)外形酷似一條四腿板凳，故暫名為座凳式橋臺(tái)（也有叫座板式橋臺(tái)的，感覺(jué)不如座凳形象易懂）。座凳臺(tái)填補(bǔ)了柱臺(tái)和肋臺(tái)之間的填高空白區(qū)，在節(jié)省投資和縮短工期方面均較為有利。目前該類型橋臺(tái)在具體構(gòu)造上發(fā)展出幾種不同的樣式，但基本原理及思路都差不多，圖6所示即為經(jīng)筆者稍加改進(jìn)后的座凳臺(tái)構(gòu)造，與肋臺(tái)類

14、似，視填高不同，承臺(tái)中心常向臺(tái)帽中心線外側(cè)作適當(dāng)偏移，以獲得更好的抗傾覆性能。橋梁大師2012程序中新增名為“座板臺(tái)”的橋臺(tái)類型與此類似，說(shuō)明該類型橋臺(tái)已逐漸被大家認(rèn)可。但該“座板臺(tái)”承臺(tái)與臺(tái)帽處于同一高度，無(wú)法如圖6般將承臺(tái)隱藏在護(hù)坡內(nèi)，影響橋下美觀，故此類橋臺(tái)的設(shè)計(jì)尚可進(jìn)一步探討。圖6-1圖6-23 結(jié)語(yǔ)綜上所述，肋板式橋臺(tái)由于構(gòu)造及受力方面均有一定的復(fù)雜性，可供優(yōu)化的空間較大，歸納如下：1、基礎(chǔ)相對(duì)于肋板的合理位置。對(duì)前、后兩排基樁的均衡受力影響較大，這一優(yōu)化原則同樣適用于配置擴(kuò)大基礎(chǔ)的肋式臺(tái)。2、順橋向前、后兩排基樁的間距。根據(jù)杠桿原理，在同樣大小的順橋向外力矩作用下，該間距越大，產(chǎn)生的前、后排基樁軸力差越小。同時(shí)，該間距越大，對(duì)承臺(tái)強(qiáng)度的要求越高。3、橫橋向肋板片數(shù)。主要與橋?qū)?、臺(tái)高、臺(tái)帽橫橋向跨徑等有關(guān)，增加一片肋板，即需相應(yīng)增加一個(gè)承臺(tái)和兩根基樁，臺(tái)后土壓力也將相應(yīng)增加，故肋板片數(shù)對(duì)材料用量和工程經(jīng)濟(jì)影響較大，應(yīng)慎重