淺談橋梁下部結(jié)構(gòu)的選型及施工設(shè)計便于后期養(yǎng)護(hù)

淺談橋梁下部結(jié)構(gòu)的選型及施工設(shè)計便于后期養(yǎng)護(hù)李紅軍(哈密公路總段，新疆

哈密839000)摘要：在橋梁設(shè)計的過程中，下部結(jié)構(gòu)的考慮是否得當(dāng)，對工程造價、工程質(zhì)量及后期養(yǎng)護(hù)使用影響很大，本文結(jié)合我在近幾年一些施工設(shè)計項目有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對橋梁墩、臺的形式選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項進(jìn)行了初步探討。關(guān)鍵詞：

橋梁下部；結(jié)構(gòu)選型；設(shè)計與計算；經(jīng)濟1橋臺結(jié)構(gòu)型式選用1.1底部設(shè)有支撐梁的輕型橋臺輕型橋臺的特點是，臺身體積較小，臺身為直立的薄壁墻，臺身兩側(cè)設(shè)有翼墻（用于擋土），可以將側(cè)墻做成斜坡。在兩橋臺下部設(shè)置鋼筋混凝土支撐梁，上部結(jié)構(gòu)與橋臺通過錨栓連接，構(gòu)成四鉸框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并借助兩端臺后的土壓力來保持穩(wěn)定。這種橋臺適用于小跨徑橋梁，橋跨孔數(shù)與輕型橋墩配合使用時不宜超過三孔，且橋梁全長不宜大于20m，單孔跨徑不宜大于13m。按照翼墻（側(cè)墻）的形式和布置方式，這種橋臺又可分為：一字形輕型橋臺、八字形輕型橋臺、耳墻式輕型橋臺。1.2鋼筋混凝土薄壁橋臺薄壁輕型橋臺常用的形式有懸臂式、扶壁式、撐墻式、及箱式等。這種橋臺是由帶扶壁的前墻和側(cè)墻以及水平底板構(gòu)成。擋土墻由前墻和間距為2.5~3.5m的扶壁組成。臺頂由豎直小墻和支于扶壁上的水平板構(gòu)成，用于支承橋跨結(jié)構(gòu)。兩側(cè)薄壁可以與前墻垂直，有時也做成與前墻斜交。相對于重力式橋臺而言，可減少污工體積40%~50%，同時因自重減輕而減少了對地基的壓力，適用于軟土地基的條件，但其構(gòu)造和施工均較復(fù)雜，且用鋼量較多。當(dāng)墩臺填土不高，河床不寬時，為了減少橋長，降低造價，不讓臺前溜坡壓縮河床，可采用靠河較近墩臺身直立的樁基礎(chǔ)薄壁墩臺，墩臺下面設(shè)置支撐梁，整個橋梁形成框架結(jié)構(gòu)體系，并借助兩端臺后的被動土壓力來保持穩(wěn)定。從已建成通車的公路上的橋梁（下部結(jié)構(gòu)多采用這種型式）來看，情況良好。1.3埋置式橋臺埋置式橋臺是將臺身埋在錐形護(hù)坡中，這樣，橋臺所受的土壓力大為減小，橋臺的體積也就得到相應(yīng)減小。但是由于臺前護(hù)坡是用片石（或混凝土）作表面防護(hù)的一種永久性設(shè)施，存在著被洪水沖毀而使臺身裸露的可能，故設(shè)計時必須進(jìn)行強度和穩(wěn)定性驗算。按臺身的結(jié)構(gòu)形式，埋置式橋臺可以分為：肋形埋置式橋臺、樁柱式埋置式橋臺、和框架式橋臺。肋形埋置式橋臺的臺身是由兩塊（或多塊）后傾式的肋板與頂面帽梁連接而成。臺高在10m及10m以上者須設(shè)置橫向系梁。帽梁、系梁和耳墻均需配置鋼筋。樁柱式埋置式橋臺對于各種土壤地基都適宜。根據(jù)橋?qū)捄偷鼗休d能力可以采用單排樁柱式、雙排樁柱式及多排樁柱式的形式。柱子嵌固在普通擴大基礎(chǔ)之上的稱為立柱式；柱與鉆孔樁相連的稱為樁柱式；完全由一排鋼筋混凝土樁和樁頂蓋（或帽）梁連接而成的稱為柔性柱臺。框架式橋臺既比樁柱式橋臺有更好的剛度，又比肋形埋置式橋臺挖空率更高，更節(jié)約污工體積。埋置式框架式橋臺結(jié)構(gòu)本身存在斜桿，能夠產(chǎn)生水平分力以平衡土壓力，加之基底較寬，又通過系梁聯(lián)成一個框架體，所以穩(wěn)定性較好，可用于路基填土高度在5m以上的橋臺，并與跨徑為16m和20m的梁式上部結(jié)構(gòu)配合應(yīng)用，其不足之處是必須用雙排樁基，鋼筋水泥用量均較樁柱式橋臺多。采用該類型式橋臺，由于橋下溜坡伸入到橋孔，壓縮了河道，為保證路基穩(wěn)定性，不宜過多地壓縮河寬，必要時需適當(dāng)增加橋跨長度。2．橋墩結(jié)構(gòu)型式選用2.1柱式橋墩柱式橋墩適應(yīng)性十分廣泛，施工方便，分為：（1）帶蓋梁單排樁柱式橋墩它是用能承受彎矩的蓋梁來代替實體式橋墩上的墩帽，當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時，需在樁頂設(shè)置承臺，使各樁共同受力，并通過它使柱與樁相連（一般適用于簡支梁橋或先簡支后連續(xù)的連續(xù)梁橋）；（2）不帶蓋梁獨柱式橋墩或排柱式橋墩（一般適用于連續(xù)現(xiàn)澆箱梁）。2.2重力式實體橋墩靠自身恒載（包括橋垮結(jié)構(gòu)恒載）來平衡外力（偏心力矩）和保證橋墩的穩(wěn)定（抗傾覆穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定）。因此污工體積較大，阻水面積增大，抗沖擊力較差，不宜用在流速大并挾有大量泥沙的河流。對地基承載力的要求高。墩身多做成實體式的，可以不用鋼筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。2.3鋼筋混凝土薄壁墩鋼筋混凝土薄壁墩又可分為單肢薄壁墩和雙肢薄壁墩兩種形式。前者墩身重量較輕，可節(jié)約污工材料，適用于地質(zhì)條件較差時的簡支梁橋上;后者適用于墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)橋上（多用于互通式立交的跨線橋上）。2.4選用墩臺時的注意事項（1）為了減少軟基位移對結(jié)構(gòu)的影響，盡可能減少超靜定個數(shù)，適當(dāng)加大樁間距，減少樁的根數(shù)。（2）樁底接近基巖表面時，承載力接近或已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求時，就沒有必要再將樁基礎(chǔ)伸入基巖以求更加保險及降低造價，當(dāng)承載力不滿足要求時，可把樁徑加大再進(jìn)行計算，盡可能用摩擦樁代替嵌巖樁，以降低施工難度。（3）在軟土地基的路線，由于軟土的變形對構(gòu)造物的危害極大且難以預(yù)料，尤其是蠕動變形對結(jié)構(gòu)的危害是致命的，直接影響到結(jié)構(gòu)的耐久性。對軟基進(jìn)行處理，從根本上消除軟土對結(jié)構(gòu)物的不利影響，是避免軟土地質(zhì)下橋梁病害發(fā)生的有效措施。對于可能對構(gòu)造物產(chǎn)生不利影響的區(qū)域，如橋臺、陡坡岸上或鄰近橋臺的橋墩附近，均應(yīng)根據(jù)軟土的物理力學(xué)指標(biāo)、軟土厚度，進(jìn)行相應(yīng)的軟基處理，改造構(gòu)造物的外部環(huán)境，以避免軟土的水平向變形對樁基產(chǎn)生附加水平力，并消除蠕動隱患。（4）軟土地基由于強度低、易變形，各種不可預(yù)見的不利因素對樁基的影響較突出，樁基的最大彎矩點和彎矩零點也可能因受到各種不可預(yù)見因素的影響而變化。樁基設(shè)計除了在承載力上留有余地外，樁基受彎剪的范圍也應(yīng)考慮留有更大的余地，一般在軟土層內(nèi)不應(yīng)減少樁基的配筋量，更不能在該區(qū)段設(shè)置素砼樁。（5）在橋臺結(jié)構(gòu)的選擇上，宜采用抗水平荷載能力強的橋臺形式。柱式橋臺水平抗推剛度較小，在水平力作用下變形較大，在深軟土地質(zhì)條件下不宜采用。即使橋臺附近的軟土進(jìn)行了改善土體特性的軟基處理，由于軟基處理可靠度以及時效等方面的原因，也難以保證樁基不承受土體附加力，柱式橋臺的使用仍應(yīng)慎重。群樁基礎(chǔ)肋板式橋臺水平抗推剛度較大，抵抗水平荷載的能力較強，在軟土地質(zhì)上被廣泛應(yīng)用，效果較好。（6）處于軟土地質(zhì)條件下的跨河橋梁，橋臺應(yīng)盡量遠(yuǎn)離陡邊坡河岸，這樣可以消除臺前凌空面，減少了由于靠河岸一側(cè)凌空面與臺后的土壓力差對樁基產(chǎn)生的不利影響。相當(dāng)于靠近陡邊坡河岸設(shè)置的短橋而言，長橋臺有較大的臺前土體壓力，對臺后填土起到了反壓護(hù)道的作用，避免了土體變形對樁基產(chǎn)生附加力，也減少了蠕動變形發(fā)生的可能性。雖然長橋的上部構(gòu)造費用多余短橋方案，但其軟基處理和下部構(gòu)造的費用卻有可能少于短橋方案。且在結(jié)構(gòu)可靠度方面有明顯優(yōu)勢，同時，削弱了橋頭跳車現(xiàn)象。3下部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算為了減少軟土地基位移對超靜定結(jié)構(gòu)的影響，上部結(jié)構(gòu)多采用標(biāo)準(zhǔn)梁的先簡支后連續(xù)的構(gòu)造，這樣整個工程的設(shè)計計算工作就集中于下部結(jié)構(gòu)的選用和計算，因而下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法的選擇是否正確，考慮因素是否全面，直接關(guān)系到整個工程的造價及安全，為此在下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，一般進(jìn)行下列計算：3.1蓋梁內(nèi)力計算《墩臺設(shè)計手冊》中對墩臺內(nèi)力按下列方式進(jìn)行計算：①當(dāng)荷載對稱布置時，按照杠桿法進(jìn)行計算；②當(dāng)荷載偏心布置時，按照偏心受壓進(jìn)行計算，兩種布載情況的內(nèi)力取大值控制設(shè)計。這種算法僅為兩種布載狀況下的內(nèi)力計算，不是各截面最不利狀況的內(nèi)力計算，計算所得內(nèi)力存在不安全的因素。內(nèi)力計算的正確方法應(yīng)該先畫出截面內(nèi)力影響線，再對影響線用杠桿法及偏心法進(jìn)行最不利橫向布載，求出各截面內(nèi)力最大、最小值，然后根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。等截面連續(xù)蓋梁可以用極限狀態(tài)法，但不能完全套用，負(fù)彎矩處需留有富余，變截面連續(xù)蓋梁只能用容許應(yīng)力法。蓋梁的抗彎配筋主要由裂縫寬度控制。剪力設(shè)計，極限法和容許應(yīng)力法對混凝土與箍筋承擔(dān)剪力比例作了明確規(guī)定，這樣梁體往往需要設(shè)置大量斜剪力鋼筋，給梁內(nèi)布筋帶來困難，配筋時經(jīng)常通過多設(shè)箍筋，讓混凝土與箍筋承擔(dān)更多比例的剪力，使配筋自由度更大。蓋梁配筋要注意“強剪弱彎”，大部分梁體的破壞是由于剪力不足造成的，對抗彎鋼筋滿足要求即可，但對抗剪鋼筋一般留有富余，這樣偏于安全。3.2橋墩內(nèi)力計算墩樁頂?shù)淖畲筘Q向力計算非常簡單，這里不再敘述；墩樁頂水平力計算，運用柔性墩理論中的集成剛度法，將橋面汽車制動力及梁體混凝土收縮、徐變、溫差、地震產(chǎn)生的水平力在全聯(lián)墩臺進(jìn)行分配，最后根據(jù)不同組合的墩樁頂水平力、彎矩及對應(yīng)墩樁頂豎向力進(jìn)行樁基各截面內(nèi)力計算。（1）對于橫向陡邊坡上的橋墩設(shè)計，同一墩位兩個（三個）墩柱存在較懸殊的無支長度差異，因剛度差異造成橋墩橫橋向受力分配的不均勻。設(shè)計時在考慮柔性墩縱向力的分配的同時，還應(yīng)進(jìn)行力的橫橋向分析。（2）在重山嶺區(qū)的連續(xù)大縱坡地段，如采用柔性墩結(jié)構(gòu)，由于車輛長期單向造成的橋梁累積變位是設(shè)計必須考慮的一個問題。剛?cè)崾敲艿膬蓚€方面，提供橋梁的剛度是提高橋梁變位較有效的措施，但是剛度的增加必須以增加投資為代價。所以，在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮。3.3橋臺內(nèi)力計算橋臺除了受與橋墩相似的荷載之外，豎向荷載還增加了土壓力、負(fù)摩阻力、搭板自重等荷載；水平荷載增加了土壓力，其影響復(fù)雜，設(shè)計時需注意以下幾點：（1）①軟土地基上帶基樁的鋼筋混凝土薄壁橋臺土壓力計算按深層考慮。②軟基段橋臺應(yīng)盡量設(shè)置為與路線正交的形式，減小臺身長度，在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置伸縮縫，以縮短受拉區(qū)長度，減小臺身砼的收縮變形量，抑制臺身的豎向、斜向裂縫的發(fā)生。③在橋臺的承臺或基礎(chǔ)頂面應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的支撐梁，削減基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)的自由長度，降低結(jié)構(gòu)自身的彎矩，提高結(jié)構(gòu)承載能力。④軟基段落的中、小橋，臺前臺后均應(yīng)進(jìn)行一定長度的軟基處理過渡，避免因為橋頭軟基滑移或由施工過程不對稱加載引發(fā)的其他附加荷載對橋臺及樁基產(chǎn)生擠壓，造成橋臺水平開裂。⑤在薄壁墩臺的拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)配置受拉鋼筋，尤其是在靠近臺身底部(1/4~1/3）H附近，要根據(jù)實際受力情況增配鋼筋，同時，水平鋼筋與豎向鋼筋搭接處應(yīng)點焊成網(wǎng)格狀。（2）埋置式橋臺土壓力一般是以填土前原地面或一般沖刷線起計算的，對較差土質(zhì)，需要進(jìn)行驗算，確定是否考慮地面以下臺后深層土對樁水平力的影響。臺后一定要選用透水、強度高、穩(wěn)定性好的材料，否則滲水后摩擦角及粘結(jié)力下降，自重增加，臺后實際受土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值，使橋臺產(chǎn)生滑移、失穩(wěn)。（3）地震土壓力隨著橋梁等級的提高而增大，計算時不考慮活載作用。設(shè)置搭板的橋臺還應(yīng)考慮搭板作用后活載土壓力的改變對橋臺產(chǎn)生的有利影響。（4）橋頭路基沉降、滑動驗算。首先，路基沉降過大、橋頭跳車、臺背和梁端過早損壞，加大豎向土壓力及負(fù)摩阻力，造成橋臺蓋梁開裂及樁基不均勻下沉，路面開裂及路基滲水，促使路基失穩(wěn)。其次，由于路基滑動使橋臺所承受的水平土壓力已遠(yuǎn)大于計算值，對于橋頭路基加寬、加高和處于改河、填溝段或路基外不遠(yuǎn)處有溝、河的，更要注意深層滑動的驗算。3.4樁筋及樁長設(shè)計注意事項（1）對于樁基各截面的配筋，從理論上來說應(yīng)根據(jù)樁內(nèi)彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行計算布置。通常是根據(jù)最大負(fù)彎矩處進(jìn)行配筋，從樁頂一直伸到最大負(fù)彎矩一半處以下一定錨固長度位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零以下一定錨固長度位置，再以下為素混凝土，對于軟基，樁主筋最好穿過軟土層。（2）軟土地質(zhì)條件下的橋梁樁基計算不能簡單的采用常規(guī)計算方法，而應(yīng)根據(jù)實際的受力特點加以分析。就計算方法而言，用“假設(shè)有效樁長”，計算樁的最大彎矩及彎矩零點進(jìn)行配筋的常規(guī)方法，在軟土地質(zhì)條件下應(yīng)慎重采用，以免造成最大彎矩及彎矩零點位置判斷的錯誤，導(dǎo)致配筋長度的不足。（3）在樁基變形較大的情況下，計算應(yīng)同時考慮樁土特性及受力條件，以整體體系來分析樁的受力模式，以使計算結(jié)果接近實際情況。同時，當(dāng)樁基水平變形量超出“m”法的限制范圍時，地基土抗力系數(shù)m值宜采用實測值。由于“m”法基本假定與大變形量樁基受力模式存在偏差，也可以考慮其它更接近于該類樁基受力模式的計算方法進(jìn)行對比計算。（4）當(dāng)軟土地質(zhì)有可能因某種外力作用產(chǎn)生變形時，如橋臺附近未作軟基處理，未能在構(gòu)造物實施前達(dá)到軟基處理的最終效果時，還應(yīng)考慮包括軟土豎向和橫向變形在內(nèi)作用于樁基的附加力。（5）山嶺重丘區(qū)，多數(shù)橋墩處于基巖裸露的陡邊坡上，樁基多為嵌巖樁。在陡邊坡的地理環(huán)境下，嵌巖樁的嵌巖深度必須考慮兩個方面的內(nèi)容：一是能起到嵌巖作用的嵌巖深度；二是巖石能滿足嵌固受力要求所必須的水平寬度。樁基設(shè)計中，嵌巖樁嵌巖深度的確定，對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性具有非常重要的意義。4結(jié)束語在橋梁總體施工設(shè)計中，下部結(jié)構(gòu)的形式選擇對整個設(shè)計方案的確定有著較大影響。確定橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循安全耐久、滿足使用的要求，同時造價較低，維修養(yǎng)護(hù)方便，與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)，橋梁本身要求造型美觀等原則。另外，橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與結(jié)構(gòu)受力、土質(zhì)構(gòu)造、水文和地質(zhì)條件、河床流速及基礎(chǔ)埋置深度有關(guān)。同時，要考慮下部結(jié)構(gòu)要經(jīng)受洪水、地震、橋梁活載等的動力作用，以確