淺析T型空心橋臺(tái)相對(duì)U型橋臺(tái)的適用性

李敏峰 李 穎 馬丁紅

（1.河北建筑工程學(xué)院土木系，河北 張家口075024；2.北方工程設(shè)計(jì)研究院建筑工程設(shè)計(jì)五所，河北 石家莊050000；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

0 引 言

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)于橋臺(tái)的選型可根據(jù)主梁的跨徑、路基的填土高度、橋臺(tái)位置地質(zhì)情況的不同而采取不同的形式.常見(jiàn)的橋臺(tái)形式有重力式橋臺(tái)，輕型橋臺(tái)，框架式橋臺(tái)和組合式橋臺(tái)［1］.隨著公路和鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)的提高，高速鐵路和公路中的橋梁結(jié)構(gòu)的形式在寬度上逐漸增大，使得橋臺(tái)的選型成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步思考的問(wèn)題.目前在工程實(shí)際當(dāng)中，空心橋臺(tái)已有使用.

當(dāng)雙線(xiàn)鐵路并行時(shí)，橋臺(tái)的橫向尺寸均較大，隨之橋臺(tái)自重及圬工數(shù)量也會(huì)增大.為減少橋臺(tái)自重并節(jié)約圬工，臺(tái)身可采用空心截面.而空心橋臺(tái)的優(yōu)越性在于充分利用了混凝土和鋼筋的材料性能，進(jìn)而可以節(jié)省材料，并能減輕自重，減少圬工，降低對(duì)地基承載力的要求［2］.因此在進(jìn)行雙線(xiàn)橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，U型橋臺(tái)適用于填土高度較低的橋臺(tái)；而T型空心橋臺(tái)適用于填土高度較高的橋臺(tái).

本文結(jié)合各種形式的橋臺(tái)的適用范圍，選擇U型橋臺(tái)這一適用于橋面較寬情況的橋臺(tái)與T型空心橋臺(tái)進(jìn)行分析比較；通過(guò)對(duì)具有相近輪廓尺寸的T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢算，隨著臺(tái)后填土高度的增加，比較驗(yàn)證空心橋臺(tái)在高橋臺(tái)情況下具有自重更小，對(duì)地基承載力要求更低的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而探討T型空心橋臺(tái)相對(duì)U型橋臺(tái)的適用性.

1 分析方案及參數(shù)

1.1 基本資料

Ⅰ級(jí)雙線(xiàn)鐵路上的直線(xiàn)橋，線(xiàn)間距取為5.6～6.0 m，跨度為16 m的鋼筋混凝土組合式箱梁，橋臺(tái)材料臺(tái)身和基礎(chǔ)采用C20混凝土，容重γ均為23 k N／m3，E＝2.55×104MPa，［σ］＝7.8 MPa；臺(tái)帽及背墻采用C25混凝土.基礎(chǔ)的入土深度為1 m，基底以上土的重度γ＝17 k N／m3，硬質(zhì)巖石地基，基本承載力為［σ］＝1.5 MPa～3 MPa.設(shè)計(jì)荷載為中－活載.

橋臺(tái)頂帽及其前墻構(gòu)造要求橫向?qū)挾冗_(dá)10.2 m～11 m，兩片箱梁邊支座橫向中心距8.1 m～8.5 m；橋臺(tái)后墻構(gòu)造要求寬度可取為8 m左右，擬采用T型空心橋臺(tái).該空心橋臺(tái)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思是：將2個(gè)單線(xiàn)T形橋臺(tái)進(jìn)行組合形成臺(tái)身，再通過(guò)頂帽及臺(tái)后擋板將臺(tái)身形成一個(gè)閉合箱形截面；臺(tái)長(zhǎng)根據(jù)T型橋臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)圖確定.為保證設(shè)計(jì)和計(jì)算所得結(jié)果的可比性，U型橋臺(tái)的尺寸擬定與T型空心橋臺(tái)的尺寸相近［3－6］.

設(shè)計(jì)T型橋臺(tái)和U型橋臺(tái)構(gòu)造如圖所示：

圖1 T型空心橋臺(tái)構(gòu)造（單位：cm）

圖2 U型橋臺(tái)構(gòu)造（單位：cm）

1.2 分析方案

1）橋臺(tái)類(lèi)型：U型和T形空心橋臺(tái).

2）填土高度：4 m～12 m.

針對(duì)U型橋臺(tái)和T形空心橋臺(tái)在填土高度變化時(shí)，進(jìn)行自重、臺(tái)底和基底的應(yīng)力及偏心、傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定性的對(duì)比分析.

1.3 橋臺(tái)尺寸

隨著臺(tái)后填土高度的增大，T型空心橋臺(tái)臺(tái)身和基礎(chǔ)沿臺(tái)長(zhǎng)方向的尺寸都會(huì)改變；U型橋臺(tái)除臺(tái)身和基礎(chǔ)沿橋臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)方向的尺寸會(huì)改變外，臺(tái)身翼墻橫橋向的尺寸也會(huì)改變.兩類(lèi)橋臺(tái)尺寸參數(shù)如表1.

1.4 荷載與組合

1）垂直荷載：線(xiàn)路設(shè)備（q＝150 k N／m）、

橋跨自重、臺(tái)頂和臺(tái)身自重、基礎(chǔ)自重、覆土自重、橋跨活載支座反力等.

2）活載及其布置

設(shè)計(jì)活載采用中－活載；對(duì)于橋臺(tái)的臺(tái)底和基底應(yīng)力及偏心檢算，應(yīng)該按照前端和后端分別進(jìn)行.直線(xiàn)橋臺(tái)活載布置形式有以下幾種；橋臺(tái)的前端的應(yīng)力和偏心檢算采用活載布置I，臺(tái)底和基底后端的應(yīng)力檢算采用活載布置II，臺(tái)底和基底后端的偏心采用活載布置III；橋臺(tái)及其基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算采用活載布置情況Ⅳ.

表1 不同填土高度下橋臺(tái)尺寸及參數(shù)（單位：m）

圖3 活載布置示意（單位：m）

3）列車(chē)制動(dòng)力（或牽引力）和土壓力的計(jì)算按照規(guī)范要求計(jì)算.

在進(jìn)行臺(tái)底截面的應(yīng)力計(jì)算時(shí)，使橋臺(tái)所受的全部荷載均簡(jiǎn)化至臺(tái)尾在基頂面上投影點(diǎn)A上；進(jìn)行基底截面應(yīng)力檢算時(shí)，基底以上全部荷載均簡(jiǎn)化至臺(tái)后基底邊中心A＇處，如圖1和圖2.

2 計(jì)算原理及分析

2.1 計(jì)算原理

參考規(guī)范［7－8］中計(jì)算橋臺(tái)臺(tái)底與基底應(yīng)力，偏心及穩(wěn)定性系數(shù)的公式對(duì)兩種橋臺(tái)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)容許值，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述荷載、應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性的計(jì)算原理進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)值的計(jì)算結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行整理和分析如下.

1）自重

兩種橋臺(tái)自重隨填土高度變化如圖4所示.由圖可知：當(dāng)填土高度H＜6 m時(shí)，T型空心橋臺(tái)的自重比U型橋臺(tái)的自重大；當(dāng)填土高度H≥6 m時(shí)，T型空心橋臺(tái)的自重比U型橋臺(tái)的自重小，且其橋臺(tái)的自重隨填土高變化的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)明顯比T型空心橋臺(tái)要大.

2）應(yīng)力結(jié)果分析

橋臺(tái)臺(tái)底和基底截面應(yīng)力由主力組合控制.

運(yùn)用公式（1）～（3）計(jì)算得到兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底應(yīng)力，并將隨填土高度變化的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果繪于圖5.

應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果表明：兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底最大應(yīng)力值均滿(mǎn)足σ≤［σ］的要求.由圖中可知，兩種橋臺(tái)臺(tái)底應(yīng)力和基底應(yīng)力均隨填土高度增大而增大，且變化的規(guī)律相似.隨著填土高度的增大，臺(tái)底、基底前端和后端最大應(yīng)力值，U型橋臺(tái)均大于T型空心橋臺(tái).其中，臺(tái)底和基底前端最大應(yīng)力的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)要大于T型空心橋臺(tái)；但其后端最大應(yīng)力值的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)與T型空心橋臺(tái)相近.

3）臺(tái)底和基底偏心分析

橋臺(tái)臺(tái)底、基底的合力偏心檢算由主力加附加力組合控制.

運(yùn)用公式（4）～（6）計(jì)算臺(tái)底和基底的偏心值，并將隨填土高度變化的臺(tái)底和基底偏心計(jì)算結(jié)果繪于圖6，圖7.

圖5 臺(tái)底、基底應(yīng)力隨填土高度變化曲線(xiàn)

圖6 臺(tái)底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線(xiàn)

圖7 基底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線(xiàn)

從圖中可知，當(dāng)填土高度H由4 m增至12 m時(shí)，兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底的前、后端的偏心計(jì)算值均增大，但變化率較小；隨著臺(tái)后填土高度的增大，臺(tái)底和基底的前、后端偏心容許值的增大率遠(yuǎn)大于計(jì)算值的增大率.

4）穩(wěn)定性分析

運(yùn)用公式（7）～（8）計(jì)算兩種橋臺(tái)的傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)值，并將其隨填土高度變化的曲線(xiàn)繪于圖8中.

穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果表明：隨著臺(tái)后填土高度的增大，T型空心橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.5；滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3，并且逐漸趨于穩(wěn)定；U型橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)恒大于1.5且趨勢(shì)上升；滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3，但趨勢(shì)下降，隨著填土高度的繼續(xù)增大，其滑動(dòng)穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備越來(lái)越小.

圖8 傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)隨填土高度變化曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

根據(jù)以上討論：

1）從兩種橋臺(tái)的自重分析可知：隨著臺(tái)后填土高度的增大，U型橋臺(tái)比T型空心橋臺(tái)的自重增長(zhǎng)率明顯要大.這充分說(shuō)明了隨著填土高度的進(jìn)一步增大，T型空心橋臺(tái)會(huì)更加顯現(xiàn)出自重小的優(yōu)點(diǎn).

2）從臺(tái)底和基底的應(yīng)力分析可知：基底前端應(yīng)力的最大值T型空心橋臺(tái)為359.54 kPa，可以選擇中密或密實(shí)的粗砂土層作為持力層；U型橋臺(tái)為966.38 k Pa，需要選擇密實(shí)的卵石土層作為持力層，但在填土高度大于10 m時(shí)，基底出現(xiàn)了拉應(yīng)力，需選擇巖層作為持力層.這進(jìn)一步說(shuō)明了T型空心橋臺(tái)比U型橋臺(tái)對(duì)地基承載力的要求要低.

3）從臺(tái)底和基底的偏心分析可知：隨填土高度的增加，兩中橋臺(tái)的臺(tái)底和基底偏心的增長(zhǎng)率要小于相應(yīng)容許偏心的增長(zhǎng)率，可以確定二者的偏心恒保持在允許范圍.

4）從穩(wěn)定性分析可知：隨填土高度的增大，T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定系數(shù)均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，安全儲(chǔ)備逐漸降低.

總之，通過(guò)對(duì)T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)的自重、臺(tái)身和基礎(chǔ)強(qiáng)度、偏心和基礎(chǔ)穩(wěn)定性的計(jì)算和綜合比較，得到如下結(jié)論：當(dāng)臺(tái)后填土高度4 m≤H＜6 m時(shí)，采用U型橋臺(tái)更為合適；當(dāng)臺(tái)后填土高度6 m≤H≤12 m時(shí)，采用T型空心橋臺(tái)更為合適.

在雙線(xiàn)鐵路直線(xiàn)橋梁的設(shè)計(jì)中，尤其是在臺(tái)后填土較高時(shí)，可以?xún)?yōu)先考慮選擇空心橋臺(tái)這種橋臺(tái)類(lèi)型.當(dāng)基底應(yīng)力和偏心檢算不滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，還可以考慮用樁基代替淺基礎(chǔ)，以確保橋臺(tái)基礎(chǔ)的承載能力、穩(wěn)定和沉降控制要求.

［1］劉偉，李正祥，何庭國(guó)，等.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路橋臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007，2（2）：61～64

［2］羅道明.空心橋臺(tái)在特殊情況下的應(yīng)用［J］.山西建筑，2005，31（3）：204

［3］張偉.鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)混凝土空心橋臺(tái)裂紋分析與防治［J］.路基工程，2008，2：137～139

［4］陳洪林.重力式 U型橋臺(tái)基底承載力計(jì)算［J］.湖南交通科技，2009，35（2）：98～101

［5］汪亞琴.確定U型橋臺(tái)基本結(jié)構(gòu)尺寸的簡(jiǎn)單方法［J］.吉林交通科技，2001，3：26～29

［6］TB 10002.3-99.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［7］TB 10002.5-2005.鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［8］TB 10002.5-2005.鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］