扶壁式橋臺(tái)分析

尤文剛

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院路橋二所，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，市政道路建設(shè)突飛猛進(jìn)，作為道路組成的市政橋梁建設(shè)也進(jìn)行的如火如荼，城市通道橋與分離式橋大量涌現(xiàn)，其占比不容忽視，重要性也日益突顯。相比一般高速公路通道橋與分離式橋，市政橋要求往往更高，主要體現(xiàn)在美觀與凈空需求，這主要是由橋梁所處位置環(huán)境決定的。隨著凈空需求的加大，以及受限于城市用地的規(guī)劃，市政橋梁建設(shè)無法避免的面臨著高填深挖現(xiàn)象，隨著橋臺(tái)臺(tái)身的增高，臺(tái)后土壓力的加大，傳統(tǒng)的輕型橋臺(tái)已不能滿足要求，這就對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)尤其是橋臺(tái)的選型提出了更高要求。

滿足交通需求、安全耐久、與周圍環(huán)境及上部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致、造型美觀等是對(duì)市政橋梁的基本要求。在市政橋梁的設(shè)計(jì)中，橋臺(tái)的選型直接影響著橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，比如肋板臺(tái)與鋼筋混凝土薄壁臺(tái)，在滿足同樣交通需求的前提下，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的孔徑及孔數(shù)就有不同的影響，進(jìn)而直接影響結(jié)構(gòu)的整體造價(jià)。筆者結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)其中一種橋臺(tái)形式——扶壁式橋臺(tái)進(jìn)行了分析。

1 工程背景

本工程位于沈撫新城，上跨汽博大街，為汽博大街下穿城際鐵路的引線工程。本橋臨近且左右平行于城際鐵路框構(gòu)橋，框構(gòu)橋箱身正截面(框構(gòu)橋有較小交角)如圖1所示。

圖1 框構(gòu)橋箱身正截面圖（單位：cm）

從美觀角度出發(fā)，本橋最佳方案為采取同樣的框構(gòu)結(jié)構(gòu)，然而框構(gòu)結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜，造價(jià)高，經(jīng)濟(jì)方面不滿足要求，從而只能放棄。受限于鐵路框構(gòu)橋的斷面尺寸及凈空需求，兼顧美觀要求，最終本橋方案敲定為上部結(jié)構(gòu)為四孔鋼筋混凝土不等高連續(xù)板，下部結(jié)構(gòu)為扶壁式臺(tái)與薄壁墩。本文重點(diǎn)分析本橋橋臺(tái)形式:扶壁臺(tái)。

2 扶壁臺(tái)

2.1 扶壁臺(tái)與傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)的區(qū)別、關(guān)聯(lián)

傳統(tǒng)輕型薄壁橋臺(tái)由臺(tái)帽、薄壁、承臺(tái)、單排樁基、地下支撐梁組成。其受力模式清晰，主要是由橋臺(tái)、上部梁板及地下支撐梁組成穩(wěn)定的四鉸剛架，從而使全橋形成一個(gè)整體，共同受力。輕型薄壁橋臺(tái)多由鋼筋混凝土材料構(gòu)成，利用結(jié)構(gòu)材料本身的抗彎能力來減少圬工量，進(jìn)而達(dá)到使橋臺(tái)輕型化的目的。且薄壁臺(tái)臺(tái)身具有擋土功能，因此在避免臺(tái)身填土溜坡對(duì)通行孔徑的擠占、縮小橋孔、節(jié)約成本等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。然而，工程實(shí)踐證明，當(dāng)橋頭填土高度大于5 m，上部結(jié)構(gòu)跨徑大于10 m時(shí)，傳統(tǒng)輕型薄壁橋臺(tái)經(jīng)常在臺(tái)身處產(chǎn)生橫向裂縫。而本橋橋頭填土約8.5 m，上部結(jié)構(gòu)孔徑大于10 m，因此傳統(tǒng)的輕型薄壁臺(tái)已經(jīng)不能滿足本橋設(shè)計(jì)要求，而只能選擇另一種輕型橋臺(tái)形式:扶壁臺(tái)。

扶壁式臺(tái)由擋墻演變而來，此種擋墻常見于引道工程兩側(cè)有著很大挖方，填土較高處，具有很好的擋土作用。因此，扶壁式橋臺(tái)先天最大特點(diǎn):擋土。在組合耳墻或裙墻的情況下，可以很好的擋住橋梁縱向及橫向的填土，如果有需要，耳墻也可以換成圬工側(cè)墻以達(dá)到更好的收坡?lián)跬列Ч?/p>

扶壁臺(tái)主要由臺(tái)帽、扶壁、胸墻、承臺(tái)、群樁組成，可視具體情況組合設(shè)置耳墻、側(cè)墻、錐坡、裙墻等。因本橋橋臺(tái)橋外橫向順接擋墻，故取消耳墻、裙墻、錐坡等的設(shè)置，本橋扶壁臺(tái)一般構(gòu)造見圖2。

由扶壁臺(tái)的構(gòu)成及圖2我們不難發(fā)現(xiàn)，扶壁臺(tái)結(jié)合有傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)及肋板臺(tái)的特點(diǎn)。胸墻相當(dāng)于薄壁臺(tái)的臺(tái)身，除了承受上部結(jié)構(gòu)荷載及臺(tái)后土壓力外，還能通過對(duì)臺(tái)后填土的阻擋來實(shí)現(xiàn)不侵占通行孔徑，節(jié)約空間和造價(jià)。而肋板(扶壁)的設(shè)置可以增加胸墻的抗彎剛度，減小結(jié)構(gòu)的彎曲變形，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，使得胸墻高度，即扶壁臺(tái)適用高度較傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)有很大提高。雙排樁基礎(chǔ)(群樁)則大大提高了橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗傾覆及抗推剛度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 扶壁臺(tái)主要構(gòu)件及其受力分析

2.2.1 臺(tái)帽

臺(tái)帽由胸墻與扶壁支撐，考慮到與鐵路框構(gòu)橋橋臺(tái)處外觀一致，本橋臺(tái)帽不設(shè)挑檐，胸墻邊與臺(tái)帽邊齊平。因?yàn)楸緲蛑ёc扶壁對(duì)應(yīng)設(shè)置，所以，本橋臺(tái)帽不受力，僅有傳力作用，所以設(shè)計(jì)中按構(gòu)造配筋配置即可。其傳遞的力主要有臺(tái)帽上部結(jié)構(gòu)橫載及活載。

2.2.2 扶壁與胸墻

圖2 扶壁臺(tái)一般構(gòu)造圖

施工過程中，二者應(yīng)同時(shí)澆筑，故二者受力密不可分，相互影響。扶壁和胸墻的高度取決于填土高，底部位于承臺(tái)頂，厚度可根據(jù)填土高度、扶壁間距，經(jīng)計(jì)算分析確定。本橋扶壁厚度借鑒肋板臺(tái)情況，根據(jù)填土高8.5 m，設(shè)置為100 cm厚，而胸墻取為與扶壁同厚，配筋根據(jù)計(jì)算分析確定。扶壁與胸墻的受力計(jì)算分析有兩種模式:考慮胸墻與扶壁共同作用的變截面T形懸臂梁模式;考慮扶壁單獨(dú)作用的變截面矩形懸臂梁模式。

1)扶壁與胸墻共同受力。將胸墻按扶壁間距等分為兩部分，則豎向就形成變截面的T形懸臂梁，扶壁為T梁腹板，胸墻為T梁翼板。此變截面懸臂T梁受力主要有:橫向分配后計(jì)算所得的上部結(jié)構(gòu)橫載與活載產(chǎn)生的豎向力及彎矩，臺(tái)后土壓力產(chǎn)生的水平力與彎矩，受力模式見圖3。計(jì)算中T梁翼緣(胸墻)的計(jì)算寬度及相關(guān)驗(yàn)算要求按現(xiàn)行JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中T形截面梁的相關(guān)要求進(jìn)行即可，計(jì)算過程此處不再贅述。2)扶壁單獨(dú)受力。將扶壁作為單獨(dú)受力構(gòu)件，豎向?yàn)樽兘孛婢匦谓孛?。受力主要?上部結(jié)構(gòu)荷載的垂直力與彎矩，扶壁受到的臺(tái)后土壓力，胸墻受到的土壓力亦分配到扶壁上，此時(shí)胸墻相當(dāng)于扶壁的附加受力截面，但不參與提供抗力，僅將其受到的土壓力分配到扶壁上，故此模式相對(duì)保守。其受力模式見圖3。計(jì)算中矩形截面的相關(guān)驗(yàn)算要求按現(xiàn)行JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中矩形截面梁的相關(guān)要求進(jìn)行即可，計(jì)算過程此處不再贅述。至于胸墻的橫向配筋計(jì)算，可取胸墻底處豎向1 m寬為計(jì)算單元，以扶壁為支撐點(diǎn)形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，將胸墻底部高度處凈土壓力以均布力的方式加在此結(jié)構(gòu)上面。計(jì)算圖示見圖3。

2.2.3 承臺(tái)與樁基

上部荷載以不同的方式組合，作用到承臺(tái)底中心，進(jìn)而驗(yàn)算承臺(tái)與樁基礎(chǔ)的受力與配筋，同時(shí)求得單樁最大樁頂力。作用在承臺(tái)上的力主要有:承臺(tái)上部結(jié)構(gòu)及活載產(chǎn)生的豎向力與彎矩，臺(tái)后填土產(chǎn)生的水平力與彎矩，承臺(tái)上部填土產(chǎn)生的豎向土壓力等;承臺(tái)與樁基計(jì)算模式見圖4。計(jì)算中相關(guān)驗(yàn)算要求按現(xiàn)行JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中梁與樁基承臺(tái)的相關(guān)要求進(jìn)行即可，計(jì)算過程此處不再贅述。

在此值得一提的是扶壁臺(tái)單樁最大支反力的差別，因?yàn)榕_(tái)后填土產(chǎn)生的巨大水平力及彎矩，再加上支座處結(jié)構(gòu)重力及胸墻自重對(duì)承臺(tái)中心產(chǎn)生的彎矩，順橋向前后排樁的樁頂力相差很大，以本橋?yàn)槔?，?jì)算后所得前排樁頂力為4 365 kN，而后排樁頂力僅1 854 kN，因此，在選取樁長時(shí)，對(duì)后排樁而言會(huì)造成一定浪費(fèi)。當(dāng)然，在填土高一定的情況下，通過調(diào)整扶壁間距、樁基礎(chǔ)排距，可以使前后排樁頂反力趨于均勻，當(dāng)然，此舉會(huì)造成承臺(tái)順橋向尺寸加大，可綜合比較后選擇合適方案。

圖3 扶壁與胸墻計(jì)算模式示意圖

圖4 樁基與承臺(tái)計(jì)算示意圖

3 結(jié)語

扶壁式臺(tái)結(jié)合了傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)與肋板臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，能很好的解決特定情況下橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理選型。在橋梁設(shè)計(jì)過程中，下部結(jié)構(gòu)的形式直接影響著整個(gè)設(shè)計(jì)方案的確定，橋址環(huán)境千變?nèi)f化，只有在設(shè)計(jì)過程中，通過不斷探索、總結(jié)，才能選擇更加合理、經(jīng)濟(jì)的下部結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量與使用效果。

[1] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].