梁橋橋臺形式及肋板式橋臺的適用性研究

許永永 苑文萍

摘要：本文主要論述了幾種常見橋臺形式的適用性，總結(jié)歸納出比較實用的梁橋橋臺形式選擇方法。結(jié)合實際工程項目，本文對肋板式橋臺進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，總結(jié)出肋板式橋臺不同結(jié)構(gòu)形式的適用性，為此后類似橋臺的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：梁橋，橋臺形式，肋板式橋臺，結(jié)構(gòu)計算

中圖分類號：U448.21+2 文獻標(biāo)識碼： A

近年來，隨著道路交通系統(tǒng)的飛速發(fā)展，梁橋憑借其突出的優(yōu)點，已成為橋梁建設(shè)中最常用的橋梁形式。對于梁橋而言，墩臺的結(jié)構(gòu)形式對于梁橋的整體結(jié)構(gòu)受力性能影響很大，目前針對橋墩形式的受力計算和分析研究已經(jīng)取得了有指導(dǎo)意義的成果[1-2]。而梁橋橋臺形式，主要取決于路基填土高度、橋跨結(jié)構(gòu)類型、基底地質(zhì)、水文條件及河岸地形等因素，常用的結(jié)構(gòu)類型主要有重力式橋臺、埋置式橋臺、輕型橋臺等，如何選擇合理的橋臺形式需要根據(jù)實際情況具體分析計算而定[3]。

1.梁橋橋臺結(jié)構(gòu)形式的適用性

橋梁墩臺是橋梁結(jié)構(gòu)的組成部分，橋臺的高度一般是由橋頭路基填土高度確定的。橋梁全長在滿足泄洪或通航要求的前提下，可在橋頭修筑高橋臺、高路堤，也可用引橋取代高路堤，這主要取決于橋位附近地形、地質(zhì)、土石方調(diào)配、合理使用土地及環(huán)境美化等方面的條件。在選用高橋臺、高路堤時，應(yīng)慎重考慮技術(shù)上的安全可靠，以及多占用土地的長期損失，不宜單純追求節(jié)省橋梁工程而壓縮橋梁長度。例如，山區(qū)跨谷橋梁不宜在陡峻山坡上修筑高橋臺；城市橋梁因取土不易、影響市容，也往往避免高路堤而采用引橋。

目前梁橋中常見的橋臺形式主要有重力式橋臺、埋置式橋臺、輕型橋臺等，實際選用過程中，需綜合考慮填土高度、填土類型、橋梁寬度、荷載等級等因素的影響。

（1）重力式橋臺適用于地基條件比較好的情況，常用的U型橋臺主要靠自重來平衡外荷載，以保持自身的穩(wěn)定性。這種橋臺構(gòu)造簡單，但臺身較高時工程量較大，自重相應(yīng)也增大，對下部地基條件要求就比較嚴(yán)格，一般用于橋梁跨度較小的低矮橋臺，根據(jù)《墩臺與基礎(chǔ)》規(guī)定，U臺適應(yīng)的填土范圍為4～10m，所以U臺的高度最好以10m控制。

（2）埋置式橋臺具有臺身短、工程量省的優(yōu)點，適用于橋頭為淺灘,臺前護坡受沖刷小,在填土高度在10m以下的中等跨徑橋梁中使用。橋臺前錐坡體既起保護橋臺的作用，又可平衡臺背側(cè)壓力，故應(yīng)采用較緩的邊坡坡度，以保證穩(wěn)定。

（3）輕型橋臺是利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎能力來減少圬工體積而使橋臺輕型化。主要可分為薄壁輕型橋臺和支撐梁輕型橋臺。這種橋臺可節(jié)省圬工材料，重量輕，但用鋼量較大，施工相對比較復(fù)雜。一般適用于軟弱地基，對于軟土地基，雖然由于自重減輕而減小了對地基的壓力，但會引起橋臺的抗滑穩(wěn)定性降低，因而應(yīng)根據(jù)橋臺的高度、地基強度和基底土質(zhì)等因素進行設(shè)計計算。

橋梁橋臺型式選擇應(yīng)符合因地制宜、就地取材和便于施工、養(yǎng)護的原則，達到適用、安全、經(jīng)濟、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)、造型美觀的目的。近年來, 橋臺的常用高度一般不超過15m,少數(shù)高達20m，對于橋臺高度在15m以上的橋梁大都以加孔的方式來降低橋臺的高度。但由于受路線縱坡的限制,單純通過加孔方式來降低橋臺高度會大大影響工程的經(jīng)濟性。實際工程中也有通過墊高地面、設(shè)高樁承臺及加筋土擋墻等方法來解決高橋臺的問題,但由此引起的實際工程問題往往更加棘手，如墊高地面在施工中地基土的壓實度很難保證，高樁承臺對下部樁基礎(chǔ)的設(shè)計提出較高的要求,加筋土擋墻高度大于15m時,容易產(chǎn)生裂縫,其穩(wěn)定性也值得商榷。

2.肋板式橋臺的計算理論

基于對梁橋的幾種常用橋臺形式的分析，本文主要選取埋置式橋臺中的最常用的肋板式橋臺進行研究， 驗算內(nèi)容包括以下幾個方面：1)截面強度驗算；2）橋臺穩(wěn)定驗算，主要指縱向撓曲穩(wěn)定驗算；3）橋臺整體穩(wěn)定性驗算，包括抗傾覆穩(wěn)定驗算和抗滑移穩(wěn)定驗算4）墩頂水平位移計算。

本文著重將計算過程中需要特別注意的幾個問題列出，并提出相應(yīng)的解決方法，以供此后類似橋臺計算參考。

2.1 土壓力計算范圍

當(dāng)驗算臺身強度和地基承載力時，計算基礎(chǔ)頂至橋臺頂面范圍內(nèi)的士壓力；當(dāng)驗算橋臺穩(wěn)定性時，計算基礎(chǔ)底至橋臺頂面范國內(nèi)的土壓力[4]。

2.2 驗算截面

在驗算墻身各處截面應(yīng)力時，先按純混凝土計算，若荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計值大于構(gòu)件抗力效應(yīng)設(shè)計值時，設(shè)置受拉鋼筋。

2.3 土壓力計算

圖1.主動土壓力計算圖示

a）臺后主動土壓力

當(dāng)土層特性無變化且無汽車荷載時：

當(dāng)土層特性無變化但有汽車荷載作用時：

其中為汽車荷載的等代均布土層厚度（m），

式中—破棱體平面內(nèi)布設(shè)的活載軸重；—破棱體平面面積；—為破棱體平面寬度；—為破棱體長度。

b）臺前溜坡主動土壓力：

當(dāng)橋臺前溜坡有適當(dāng)防護措施，不致被沖去時，可考慮臺前溜坡對橋臺產(chǎn)生的主動土壓力。

為主動土壓力系數(shù)，按下式計算

B為橋臺的計算寬度，對于實體式橋臺為橋臺全寬；

若時，

若，應(yīng)根據(jù)柱的直徑或肋板的寬度來考慮柱（肋）間空隙的折減：

當(dāng)時，

當(dāng)時，

2.4 橋臺整體穩(wěn)定性驗算

橋臺整體穩(wěn)定性驗算包括橋臺的抗傾覆穩(wěn)定驗算和抗滑移穩(wěn)定驗算，但是實際工程中橋臺基礎(chǔ)滑動對于橋涵墩臺來說是很少見的，由于橋涵墩臺基礎(chǔ)一般埋置深度較深，而且基底的容許應(yīng)力已有一定的安全系數(shù)，這就保證了基底土不致產(chǎn)生局部極限平衡而達于塑性流動。當(dāng)橋臺采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)時，一般情況下，樁基可不驗算抗傾覆及抗滑穩(wěn)定性，但在特殊情況下，應(yīng)考慮樁基向前移動和被剪斷的可能性[5]。

2.5 墩頂水平位移計算

對于高度超過20m的墩臺形式，應(yīng)驗算頂端水平方向的彈性位移，并使其符合規(guī)定要求。墩臺頂面水平位移的容許極限值為

式中：—臺頂位移；—承臺水平變位；—承臺角變位；—臺帽頂至承臺底面距離；

3.基于實際工程的肋板式橋臺計算分析

鄭州至登封快速通道改建工程項目路線全長73.616公里，按一級公路兼具城市道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，全線共有特大橋1729.44/2座，大橋6223.6/19座，中橋186.46/3座，橋?qū)?6m。該項目采用橋型有矮塔斜拉橋、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁橋、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋以及框架橋，橋墩形式的選用主要考慮橋型、墩高、地形條件、以及受力方式等因素，形式多樣，受力相對明確；在選用橋臺形式時參照前文所述橋臺選擇方法，采用了常用的U型橋臺、柱式臺、肋板式橋臺，其中肋板式橋臺的使用范圍最廣，填土高度從4m到13.5m，根據(jù)地形地基條件、土壓力、以及橋臺強度穩(wěn)定性驗算，確定了最適合的肋板臺型式和填土高度范圍。

本文計算分析時，假定橋臺全寬B不變，肋板懸臂長度B3/肋板間距B2取0.38～0.42，擬定肋板尺寸，分析肋板高度對肋板式橋臺強度及穩(wěn)定性的影響，肋板式橋臺計算圖示如圖2所示。

圖2.肋板式橋臺計算圖示

（1） 兩肋式橋臺，擬定肋寬b=1m，樁徑D=1.2m。

驗算肋高從4m開始，肋板頂配筋率雖較大，但隨著肋板高度的增加配筋率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，大于7m之后相對穩(wěn)定；肋板底配筋變化較小。當(dāng)肋高大于7m時，肋板底配筋隨著填土高度的增加迅速增加，當(dāng)肋板高度達到11.5m時，肋板頂面和底面的配筋率基本相等。

此外根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于基礎(chǔ)穩(wěn)定性的計算，本文偏安全不考慮樁基對肋板臺的約束作用。經(jīng)驗算，當(dāng)肋高大于10m時兩肋式肋板式臺有傾覆的危險，因此，建議兩肋式橋臺的情況適用于肋高4～7m的范圍，最高不應(yīng)超過10m。

（2） 三肋式橋臺，擬定肋寬b=1.1m，樁徑D=1.5m。

驗算肋高從7m開始，肋板頂配筋率雖較大，但隨著肋板高度的變加配筋率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，大于13m之后相對穩(wěn)定；肋板底配筋變化較小，肋高到達13m時肋板頂面和底面的配筋率基本相等。當(dāng)肋高大于13.5m時，肋板底配筋隨著肋板高度的變化迅速增加，超過19m時，肋板底配筋率和樁頂力都明顯增大，這對橋臺的穩(wěn)定和橋梁下部設(shè)計都不利，并且通過經(jīng)濟評價，填土高度大于19.5m也沒有通過增加跨徑經(jīng)濟。

4.結(jié)束語

本文通過對梁橋橋臺形式的研究和分析，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)橋址處的地質(zhì)條件比較好的情況的下可以選擇重力式橋臺，通常填土高度不超過5m，但是在地質(zhì)地基能滿足強度要求并且在橋臺體積不受限制的情況下可以做到8～10m,但應(yīng)做好臺后排水措施；

2) 在一般地質(zhì)條件下填土高度不超過4m的情況下，選用柱式橋臺是相對比較安全和經(jīng)濟的方案，但是由于樁柱式橋臺抗推剛度小，當(dāng)聯(lián)長超過150m，臺后填土高度較高時不宜使用；

3) 肋板式橋臺的適用范圍比較廣，填土高度4～13m的情況下均可使用，但需要根據(jù)實際受力情況進行安全性驗算，超過8m的填土高度需要通過增加肋數(shù)以保證橋臺的剛度和穩(wěn)定性；

4) 橋臺的常用高度不超過10m, 對于跨徑20m和30m的梁橋來說，19.5m以下適合通過采用輕型薄壁橋臺來實現(xiàn)，但是超過19.5m的填土高度，將會大大影響橋梁的安全性和經(jīng)濟性；

5) 橋臺背后的土壓力和基礎(chǔ)周圍路基填土的重量，勢必增大地基中的應(yīng)力和變形，因而易引起橋臺后仰和前移，對建筑在松軟地基上的橋臺，尤應(yīng)特別注意。

參考文獻：

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[5].JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

作者簡介：

許永永（1987.05），女，工學(xué)碩士，河南洛陽人，漢族，洛陽市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院，從事橋梁設(shè)計工作。

苑文萍（1986.11），女，工學(xué)碩士，河南開封人，漢族，鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，從事交通規(guī)劃工作；