橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

黃效峰

摘 要：隨著我國(guó)交通的快速發(fā)展，橋梁工程在交通工程變得日益重要。對(duì)于沿海、沿河城市，跨海大橋是連通河海兩岸的最佳交通方式；對(duì)于地勢(shì)起伏的山區(qū)地區(qū)，橋梁橫跨溝壑的最優(yōu)選擇。橋梁作為交通路線上重要工程，其下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的合理與否，關(guān)系到整個(gè)工程的工期、造價(jià)及建設(shè)的可行與否。該文就目前橋梁該工程下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，探討了下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，期望對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)及施工有所指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：橋梁 下部結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（a）-0073-02

橋梁的造價(jià)、質(zhì)量及施工工期等往往都深受橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響，橋梁發(fā)生的事故大多與下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著直接的關(guān)系，如沉降不均均勻會(huì)導(dǎo)致的橋面開(kāi)裂和橋體傾斜等。在整個(gè)橋梁工程的設(shè)計(jì)中，下部結(jié)構(gòu)設(shè)是整體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系的整個(gè)橋梁工程的安全和成本的控制。目前橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)更注重合理性的設(shè)計(jì)，而非可行性設(shè)計(jì)，可行性設(shè)計(jì)僅考慮了暫時(shí)橋梁工程的穩(wěn)定性，對(duì)后期影響后期橋梁工程整體以穩(wěn)定性的因素較為模糊，合理性設(shè)計(jì)更注重后期結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，更趨于安全。對(duì)此，筆者通過(guò)對(duì)比中外橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式及下部結(jié)構(gòu)的與缺點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和要點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述，對(duì)橋梁的下部結(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)提出一些建議和看法。

1 橋梁下部結(jié)構(gòu)形式

1.1 國(guó)外的橋梁下部結(jié)構(gòu)形式

早期的橋梁建設(shè)中，國(guó)外的大橋的基礎(chǔ)以氣壓沉箱基礎(chǔ)為主。隨著建設(shè)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代，沉井基礎(chǔ)得到廣泛的推廣，成為橋梁下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)選基礎(chǔ)類(lèi)型。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)70年代中期左右，各個(gè)國(guó)家對(duì)橋梁基礎(chǔ)都有自己成熟的技術(shù)，因此出現(xiàn)了多種類(lèi)型風(fēng)格的基礎(chǔ)。

在美國(guó)，早期橋梁建設(shè)中，橋梁的下部基礎(chǔ)主要采用氣壓沉箱，修筑了紐約布魯克林大橋、Eads大橋。但這種基礎(chǔ)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造價(jià)高、勞動(dòng)力需求大、施工較為危險(xiǎn)。鑒于以上缺點(diǎn)，美國(guó)的工程技術(shù)人員對(duì)其在基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了沉井基礎(chǔ)，如美國(guó)舊金山的奧克蘭大橋、金門(mén)大橋都采用了此基礎(chǔ)。二戰(zhàn)過(guò)后，美國(guó)橋梁基礎(chǔ)的類(lèi)型日益增多：1955年，查蒙德·圣萊弗爾（RlchmondSanRafael）首創(chuàng)鐘形基礎(chǔ)；1957年，美國(guó)龐加川湖橋模仿我國(guó)武漢長(zhǎng)江大橋試驗(yàn)采用了管柱基礎(chǔ)；1966年的美國(guó)班尼西亞馬丁尼茲橋（BeniciaMartinez）采用了鋼筋混凝土沉井和鋼管樁的組合基礎(chǔ)；1983年，俄勒岡橋（Oregon）采用雙曲線鐘形基礎(chǔ)。1994年，切薩比克一特拉華運(yùn)河大橋采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方樁基礎(chǔ)；同年，休斯頓航道橋使用鋼筋混凝土方樁做為橋下部結(jié)構(gòu)的梁基礎(chǔ)[1]。

在橋梁大國(guó)丹麥，1935年丹麥小海帶橋（TheLittleBelt）采用了鋼筋混凝土沉箱基礎(chǔ)；到了1937年，斯托司脫隆橋（storstrom）采用了較為成熟的沉井基礎(chǔ)；1970年，新小海帶橋亦采用了混凝土沉井結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；1998年，大海帶橋（GreatBeltBridge）的主橋主塔基礎(chǔ)采用了高重力的設(shè)置基礎(chǔ)；2000年，厄勒海峽大橋亦全部采用設(shè)置基礎(chǔ)裝的方案進(jìn)行。目前丹麥的大橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。

橋梁大國(guó)日本，1970年，廣島大橋、神戶(hù)的波特彼河大橋、歧阜縣大橋、早漱大橋、新木曾川橋、日本港大橋等均采用了沉箱基礎(chǔ)；1998年，日本建成了世界上跨度第一的明石海峽大橋，此橋采用了圓形設(shè)置基礎(chǔ)。同時(shí)，鐘形基礎(chǔ)、多柱式基礎(chǔ)、鎖口鋼管樁基礎(chǔ)在日本橋梁基礎(chǔ)亦有所涉及和發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)的橋梁下部結(jié)構(gòu)形式

在我國(guó)，解放后橋梁建設(shè)才陸續(xù)開(kāi)始，橋梁基礎(chǔ)形式主要為沉井基礎(chǔ)、管柱基礎(chǔ)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。例如：杭州錢(qián)塘江大橋采用了氣壓沉箱基礎(chǔ)；長(zhǎng)江上第一座橋梁，武漢長(zhǎng)江大橋首創(chuàng)了管柱基礎(chǔ)，鑒于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，國(guó)外亦先后把管柱基礎(chǔ)應(yīng)用于實(shí)際工程；南京長(zhǎng)江大橋采用了沉井基礎(chǔ)；襄樊漢江橋、枝城長(zhǎng)江大橋和重慶長(zhǎng)江大橋等均采用了沉井基礎(chǔ)；北鎮(zhèn)黃河大橋首次采用了灌注樁基礎(chǔ)，隨后這種基礎(chǔ)類(lèi)型在我國(guó)橋梁廣泛采用[2]。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)跨海大橋。廈門(mén)大橋首次采用以嵌巖鉆孔灌注樁為橋梁下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；廣東虎門(mén)大橋采用的基礎(chǔ)形式亦是鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，成為了我國(guó)連接珠江三角洲的重要交通工程；我國(guó)第一座具有國(guó)際影響力的東海大橋，其主通航跨基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，對(duì)于非通航段采用了鋼管樁基礎(chǔ)，這種類(lèi)型的基礎(chǔ)充分考慮了適用性與耐久性，使造價(jià)與工期相互協(xié)調(diào)，是我國(guó)橋梁建設(shè)的典范。

世界上第三長(zhǎng)的的橋梁和第二長(zhǎng)跨海大橋——杭州灣大橋，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)外大直徑超長(zhǎng)整樁螺旋鋼管樁；上海長(zhǎng)江大橋是世界最大的橋隧結(jié)合工程，采用了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)作為橋下基礎(chǔ)。隨著我國(guó)跨海大橋工程項(xiàng)目的不斷開(kāi)工建設(shè)，積累的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)越來(lái)越豐富，下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工也會(huì)越來(lái)越成熟。

2 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大致分為：橋臺(tái)的設(shè)計(jì)、橋墩的設(shè)計(jì)、高墩的設(shè)計(jì)、防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、及耐久性等設(shè)計(jì)。橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，關(guān)系著整個(gè)工程的質(zhì)量，下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要做到“合理”，而不是可行。為此，針對(duì)上述設(shè)計(jì)內(nèi)用予以合理性的分析。

2.1 橋墩與橋臺(tái)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

對(duì)于墩臺(tái)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)確定作用在墩臺(tái)上的荷載，各荷載和外力的計(jì)算值，應(yīng)采用墩臺(tái)在正常情況下結(jié)構(gòu)上有可能出現(xiàn)的最大荷載值。土壓力計(jì)算一般采用庫(kù)倫主動(dòng)土壓力公式，而不是郎肯土壓力計(jì)算，這在設(shè)計(jì)中應(yīng)給與重視，不要用錯(cuò)計(jì)算方法，這兩種計(jì)算方法有著本質(zhì)的區(qū)別：墾理論是根據(jù)土體中各點(diǎn)處于平衡狀態(tài)的應(yīng)力條件直接求墻背上各點(diǎn)的土壓力.要求墻背光滑，填土表面水平，計(jì)算結(jié)果偏大.而庫(kù)侖理論是根據(jù)墻背與滑動(dòng)面間的楔塊型處于極限平衡狀態(tài)的靜力平衡條件求總土壓力.墻背可以?xún)A斜，粗糙填土表面可傾斜，計(jì)算結(jié)果主動(dòng)壓力滿(mǎn)足要求，而被動(dòng)壓力誤差較大.朗肯理論是考慮墻后填土每點(diǎn)破壞，達(dá)極限狀態(tài)；庫(kù)侖理論則考慮滑動(dòng)土體的剛體的極限平衡。活載土側(cè)壓力的計(jì)算，鐵路橋臺(tái)要考慮其沿橫橋向的分布寬度，而公路橋臺(tái)則按橫橋向全寬均勻分布處理。墩臺(tái)所受的各項(xiàng)荷載中，除恒載外，其他各項(xiàng)荷載的數(shù)值是變化的且不一定同時(shí)發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)墩臺(tái)時(shí)，就需要針對(duì)不同的驗(yàn)算項(xiàng)目，確定各種可能的最不利荷載組合，對(duì)墩臺(tái)加以驗(yàn)算，確保設(shè)計(jì)安全。在荷載組合當(dāng)中，車(chē)輛活載起著支配作用。重力式橋墩計(jì)算中，一般需驗(yàn)算墩身截面的強(qiáng)度、墩身截面的合力偏心距及橋墩的縱向及橫向穩(wěn)定性[3]。

2.2 高墩的設(shè)計(jì)

在橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于較矮的橋墩，設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮的是橋墩的強(qiáng)度，而對(duì)于高墩的橋梁，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中于橋墩的具體高度、穩(wěn)定性及墩頂彈性水平位移的驗(yàn)算。其設(shè)計(jì)方法與橋墩的設(shè)計(jì)方法大致相同。

2.3 防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防撞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)對(duì)的大面積流水對(duì)橋墩的撞擊力、大面積流冰堆積現(xiàn)象、流水對(duì)橋墩的磨損以及過(guò)往船只的撞擊力等對(duì)橋墩的危害。針對(duì)流水及流冰的撞擊，在中等以上流冰河道（冰厚大于0.5m，流水速度大于1m/s）及有大量漂流物的河道，應(yīng)在迎水方向設(shè)置破冰棱體；航宇繁忙的河道，船只的過(guò)往及船體的失控或能見(jiàn)度較低都會(huì)造成傳播與橋墩相撞，為此橋墩設(shè)計(jì)中不但要有一定的抗船舶沖擊荷載的能力，還應(yīng)進(jìn)行緩沖和保護(hù)設(shè)計(jì)，預(yù)防或改變船只沖擊荷載的方向或減少對(duì)橋墩的沖擊荷載，不使其破壞。以東海大橋?yàn)槔?，其主墩的防撞設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土防撞墩的形式，采用鋼管樁基礎(chǔ)，位于主墩的東西兩側(cè)設(shè)有防撞墩，護(hù)舷牛腿設(shè)在防撞墩與主墩承臺(tái)之間用以將強(qiáng)整體穩(wěn)定性，每個(gè)防撞墩內(nèi)采用壁厚20mm，直徑1300mm的螺旋焊縫鋼管作為防撞樁，以應(yīng)對(duì)流水、流冰及船舶的撞擊。

2.4 耐久性設(shè)計(jì)

橋梁下部結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)分為：承臺(tái)與墩柱的耐久性設(shè)計(jì)、管樁的耐久性設(shè)計(jì)、鉆孔樁的耐久性設(shè)計(jì)等。不同地域、不同環(huán)境會(huì)引起橋梁下部結(jié)構(gòu)的不同腐蝕，腐蝕嚴(yán)重與否直接關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全。承臺(tái)與墩柱的耐久性設(shè)計(jì)采用富裕余量、被覆防護(hù)材料和涂料、陰極保護(hù)等；管樁的耐久性設(shè)計(jì)可采用包覆層保護(hù)、選用高耐久性混凝土提高密實(shí)度，減少孔隙率、增加混凝土保護(hù)層厚度等方法；鉆孔灌注樁的混凝土靠自重壓密，因此其密實(shí)性難以與經(jīng)過(guò)振搗密實(shí)的混凝土相比，為增加鉆孔灌注樁的防腐性能，可適當(dāng)增大鋼筋保護(hù)層的厚度（至少為75mm），并在灌注樁上部采用摻合料混凝土提高混凝土的密實(shí)度[4]。根據(jù)腐蝕區(qū)域的劃分，承臺(tái)及墩柱結(jié)構(gòu)主要位于浪濺區(qū)，將遭受比較強(qiáng)烈的腐蝕作用。采用適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度，保護(hù)層厚度可參考交通部（（海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，并根據(jù)高性能混凝土的設(shè)計(jì)模型FICK定律來(lái)確定一個(gè)合適實(shí)際需要的保護(hù)層厚度。

3 結(jié)語(yǔ)

總體講，在建橋梁工程，其下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得是否良好關(guān)系著橋梁的成本、質(zhì)量及工期。故設(shè)計(jì)人員進(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是，要從實(shí)際情況出發(fā)，注重對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)，以保障橋梁質(zhì)量以及后期的使用安全。

參考文獻(xiàn)

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