扶壁式橋臺(tái)在市政橋梁中的應(yīng)用

鄭雨凡

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

扶壁式橋臺(tái)在市政橋梁中的應(yīng)用

鄭雨凡

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

金湖大道工程設(shè)計(jì)中為配合河網(wǎng)建設(shè)沿線布置了多座中小橋，橋址處軟土層較厚，文章通過(guò)工程實(shí)例，列舉多種橋臺(tái)形式，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)、施工等方面比較，最后選定扶壁式橋臺(tái)做為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要介紹扶壁式橋臺(tái)各構(gòu)件的構(gòu)造和計(jì)算特點(diǎn)，并結(jié)合金湖大道工程中的一座橋梁，對(duì)扶壁式橋臺(tái)的主要受力構(gòu)件采用不同計(jì)算方法進(jìn)行分析。

市政橋梁；扶壁式橋臺(tái)；軟土地基；計(jì)算方法

1 工程概況

金湖大道工程位于莆田市湄洲北岸經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，呈東西走向，西起城港大道，東至媽祖城環(huán)城路，沿途依次與石化路、通港大道、鐵灶路、荔港大道、學(xué)府路、規(guī)劃路相交，全長(zhǎng)5 645.736m。其屬于城市主干道，設(shè)計(jì)時(shí)速50km/h，城港大道至荔港大道段道路規(guī)劃紅線寬度為28m，雙向4車道；荔港大道至環(huán)城路段道路規(guī)劃紅線寬度為40m，雙向6車道。金湖大道是湄洲灣港口周邊一條十分重要的疏港道路，承擔(dān)著疏港道路過(guò)境交通需求，也是湄洲灣北岸經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)南片區(qū)規(guī)劃的“三縱三橫一環(huán)”道路骨架中的“一橫”，是“東城西港”的連接樞紐。

在金湖大道設(shè)計(jì)過(guò)程中，為配合片區(qū)河網(wǎng)建設(shè)，根據(jù)莆田市濱海新城防洪防潮排澇規(guī)劃報(bào)告及項(xiàng)目洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告，沿線共設(shè)置中橋5座，小橋1座。

根據(jù)規(guī)范要求，橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)遵循安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀的原則，同時(shí)應(yīng)考慮因地制宜、便于施工等因素。由于該項(xiàng)目橋梁均為跨越河道的中小橋，經(jīng)過(guò)比較后，上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)化程度高、施工方便的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，落在河道中的橋墩均采用阻水小的圓形柱式墩。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露，本項(xiàng)目場(chǎng)地地質(zhì)覆蓋有較厚的淤泥質(zhì)土，揭示厚度為0.90m～ 17.40m，平均厚度為9.94m，淺層地基承載能力差，橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)需采用灌注樁基礎(chǔ)。橋梁的上部結(jié)構(gòu)和橋墩形式的方案選定后，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇合理的橋臺(tái)形式成為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

金湖大道沿線橋梁跨越的河道斷面均為矩形斷面，護(hù)岸采用漿砌片塊石擋墻，因此在橋臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用具有擋土作用的結(jié)構(gòu)形式。

針對(duì)以上要求，本文列舉4種橋臺(tái)形式，從工程造價(jià)、施工等方面進(jìn)行比較，選定扶壁式橋臺(tái)為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，并介紹扶壁式橋臺(tái)的構(gòu)造、計(jì)算特點(diǎn)等。

2 方案比較

2.1 樁柱式橋臺(tái)

圖1 樁柱式橋臺(tái)構(gòu)造圖

樁柱式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由樁基、蓋梁、耳背墻組成。橋臺(tái)構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確，下部工程量小，基坑開(kāi)挖和支護(hù)的工程量小，施工方便。樁柱式橋臺(tái)可以采用先填土后施工樁基的方法，因此填土壓實(shí)度高，可以有效減小填土沉降值及作用在橋臺(tái)上的土壓力。由于河道斷面為矩形斷面，臺(tái)前無(wú)法設(shè)置錐坡，因此需在臺(tái)前設(shè)置擋土墻以銜接河道。在橋臺(tái)前設(shè)置擋土墻時(shí)，需加大橋梁的布孔長(zhǎng)度，從而增加上部結(jié)構(gòu)的梁高和上部結(jié)構(gòu)的工程量；而市政道路的縱斷設(shè)計(jì)往往受橋梁設(shè)計(jì)高度的控制，因此梁高的加大會(huì)造成橋梁范圍標(biāo)高的抬高，進(jìn)而增加路基工程量。在施工過(guò)程中，如果河道與橋臺(tái)樁基的施工順序不當(dāng)，河道開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的淤泥流動(dòng)會(huì)使樁基傾斜甚至發(fā)生斷樁的情況。因此該項(xiàng)目不宜采用該形式橋臺(tái)方案。

2.2 薄壁式橋臺(tái)

薄壁式橋臺(tái)如圖2所示，是在臺(tái)帽位置采用鋼錨栓使橋臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接，下部基礎(chǔ)之間采用支撐梁連接而形成的框架結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)臺(tái)身形成一根上下均有水平支撐的豎梁來(lái)抵抗臺(tái)后填土的作用，結(jié)構(gòu)的受力體系大為改善，從而大大減小了臺(tái)身的厚度，降低對(duì)地基承載力的要求。薄壁式橋臺(tái)造型輕巧，樁基礎(chǔ)采用單排樁，節(jié)約材料，施工過(guò)程開(kāi)挖的基坑小，施工簡(jiǎn)單，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，因此本方案優(yōu)點(diǎn)明確。

圖2 薄壁式橋臺(tái)構(gòu)造圖

但在軟土地基厚度大的橋梁中，薄壁式橋臺(tái)的剛度小，抗傾覆能力差，橋臺(tái)與支撐梁容易產(chǎn)生不均勻沉降，從而破壞結(jié)構(gòu)的受力形式；而且薄壁式橋臺(tái)的框架受力形式對(duì)橋臺(tái)的施工順序，上部結(jié)構(gòu)與臺(tái)身之間連接的施工質(zhì)量均要求很高，實(shí)際工程中常因?yàn)槭┕げ划?dāng)而產(chǎn)生縱向變形過(guò)大、臺(tái)身開(kāi)裂等病害。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工程反饋，薄壁式橋臺(tái)在臺(tái)高大于5m時(shí)，在臺(tái)身位置容易裂縫，從而降低結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，影響橋梁的使用壽命，且由于金湖大道上部分橋梁為多孔結(jié)構(gòu)，橋墩采用蓋梁柱式墩，在橋臺(tái)上無(wú)法設(shè)置支撐梁。

因此，該項(xiàng)目不建議采用薄壁式橋臺(tái)。

2.3 U型重力式橋臺(tái)

U型重力式橋臺(tái)如圖3所示，是橋梁上常見(jiàn)的一種橋臺(tái)形式，其由臺(tái)帽、側(cè)墻、前墻和基礎(chǔ)組成，主要特點(diǎn)是依靠橋臺(tái)自身恒載來(lái)平衡外力使其保持穩(wěn)定。U型重力式橋臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是取材方便，整體性好，剛度大，抗傾覆能力強(qiáng)，臺(tái)身可采用片石混凝土或混凝土等圬工材料澆筑而成，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，工藝成熟，質(zhì)量易控制。

重力式橋臺(tái)的缺點(diǎn)是體積大、重量大，對(duì)基礎(chǔ)的承載力要求高，基礎(chǔ)所需的基坑的開(kāi)挖量大，且由于其臺(tái)身是由大量圬工材料組成，含筋量少，在回填土施工碾壓、溫度及混凝土收縮徐變等因素影響下，臺(tái)身表面容易出現(xiàn)裂縫，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，這一現(xiàn)象在高、寬的橋臺(tái)上較為明顯。

由于該項(xiàng)目道路橫斷面寬，橋臺(tái)較高，圬工工程量巨大，因此不建議采用U型重力式橋臺(tái)。

圖3 U型重力式橋臺(tái)構(gòu)造圖

2.4 扶壁式橋臺(tái)

圖4 扶壁式橋臺(tái)構(gòu)造圖

扶壁式橋臺(tái)如圖4所示，扶壁式橋臺(tái)由臺(tái)帽、前墻、扶壁、側(cè)墻、承臺(tái)、群樁組成，其構(gòu)造特點(diǎn)是沿前墻長(zhǎng)方向間距一定長(zhǎng)度設(shè)置一道扶壁，從而改善了臺(tái)身的受力形式，提高的整體性，優(yōu)點(diǎn)是厚度小、自重輕、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好。通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，扶壁式橋臺(tái)的前墻相當(dāng)于薄壁式橋臺(tái)的臺(tái)身，而增加設(shè)置的扶壁可以提高前墻的抗彎剛度。水平荷載是由扶壁和前墻組成的框架結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗的，減小結(jié)構(gòu)的彎曲變形，避免薄壁式橋臺(tái)常出現(xiàn)橫向裂縫，因此扶壁式橋臺(tái)可適用于較大的高度。同時(shí)橋臺(tái)采用承臺(tái)雙排樁基礎(chǔ)，通過(guò)群樁基礎(chǔ)來(lái)承受結(jié)構(gòu)的水平、垂直荷載，群樁基礎(chǔ)增加橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗推剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以可以適用于各種地質(zhì)情況。

但扶壁式橋臺(tái)的缺點(diǎn)是構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、施工受扶壁影響較不方便、基坑開(kāi)挖面較大等。

由于該項(xiàng)目場(chǎng)地軟土層較厚，臺(tái)高較大，為更好地解決橋臺(tái)的水平位移，以扶壁式橋臺(tái)做為推薦方案。

3 扶壁式橋臺(tái)計(jì)算分析

3.1 臺(tái)帽

臺(tái)帽擱置前墻和扶壁上方，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其作用是擱置上部結(jié)構(gòu)梁底及橋臺(tái)搭板，將上部結(jié)構(gòu)和橋臺(tái)搭板上的各項(xiàng)荷載傳遞至扶壁上，設(shè)計(jì)厚度按60cm，設(shè)計(jì)一般采用構(gòu)造配筋。

3.2 側(cè)墻

側(cè)墻設(shè)置在橋臺(tái)的兩側(cè)，起到銜接橋梁結(jié)構(gòu)與路基工程及橫向擋土的作用，側(cè)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)墻的寬度需滿足人行道格梁或防撞欄預(yù)埋筋的需求，側(cè)墻長(zhǎng)度根據(jù)橋梁兩側(cè)場(chǎng)地的填土高差設(shè)置。側(cè)墻設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮承受土壓力和活載產(chǎn)生的彎矩，在施工過(guò)程中，采取內(nèi)外側(cè)平衡回填、碾壓的施工方法或在外側(cè)設(shè)置支護(hù)的措施，以避免側(cè)墻根部在施工過(guò)程中受到過(guò)大的土壓力。

3.3 扶壁

扶壁是扶壁式橋臺(tái)的主要受力構(gòu)件，其間距一般取1/4～1/2臺(tái)高，扶壁的厚度根據(jù)扶壁背面的配筋要求，一般為50cm～80cm，扶壁頂、底寬根據(jù)臺(tái)帽、承臺(tái)的構(gòu)造尺寸擬定[1]。通過(guò)分析，扶壁結(jié)構(gòu)承受的各項(xiàng)作用主要有：

(1)永久作用

①支座傳遞的上部結(jié)構(gòu)、橋面系的恒載；

②橋臺(tái)臺(tái)帽、背墻的自重；

③橋臺(tái)臺(tái)后搭板的恒載；

④扶壁、前墻的結(jié)構(gòu)的自重；

⑤臺(tái)后回填土的側(cè)壓力。

(2)可變作用

①支座傳遞的臺(tái)前汽車荷載；

②汽車的沖擊力；

③汽車制動(dòng)力；

④人群荷載；

⑤臺(tái)后搭板上的汽車引起的土側(cè)壓力；

⑥溫度作用；

⑦支座摩阻力。

(3)地震作用

扶壁結(jié)構(gòu)主要受各項(xiàng)作用的豎向力、水平力以及這些作用產(chǎn)生的彎矩，其受力模型為底部嵌固在承臺(tái)的偏心受壓構(gòu)件，計(jì)算方法根據(jù)前墻是否參與受力分為兩種：

①考慮前墻與扶壁共同受力

如圖5所示，以扶壁為中心，橫橋向?qū)⒎霰谂c前墻切割成多個(gè)T形截面的單元體，扶壁做為T梁的腹板，前墻為T梁的翼緣。在豎直方向，T梁的梁高是變化的，T梁翼緣的計(jì)算寬度根據(jù)《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》(JTG D62-2004)[2]4.2.2條規(guī)定采用，此T梁截面按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其承載力計(jì)算應(yīng)符合上述規(guī)范第5.2.3、5.3.6條規(guī)定，計(jì)算過(guò)程此處不再贅述。

圖5 考慮前墻與扶壁共同受力計(jì)算模型

②不考慮前墻參與受力

如圖6所示，計(jì)算中僅考慮扶壁單獨(dú)受力，扶壁計(jì)算單元在為矩形截面結(jié)構(gòu)，豎直方向矩形截面的梁高是變化的。此時(shí)前墻僅將受到的土壓力傳遞到扶壁上，不提供抗力，計(jì)算時(shí)按矩形截面偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，承載力計(jì)算根據(jù)JTG D62-2004規(guī)范[3]5.2.2及5.3.5條規(guī)定，JTG D62-2004。這種計(jì)算方法相對(duì)保守，但是計(jì)算簡(jiǎn)單。

圖6 不考慮前墻參與受力計(jì)算模型

基此，本文以金湖大道K0+675.3中橋?yàn)槔龑?duì)兩種計(jì)算方法結(jié)果進(jìn)行比較，K0+675.3中橋上部結(jié)構(gòu)為1孔20m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，橋梁橫斷面布置為5.5m人行道+17m行車道+5.5m人行道,斜交10°;下部結(jié)構(gòu)扶壁式橋臺(tái)臺(tái)高4.5m，扶壁寬度0.6m，扶壁間距2.87m，底寬3m，前墻厚度為0.8m，樁基采用雙排直徑為1.0m的鉆孔灌注樁，橫橋向樁間距5.0m，縱橋向間距3.0m。橋臺(tái)臺(tái)后采用透水性材料回填，內(nèi)摩擦角為35°，壓實(shí)度不小于95%。取臺(tái)身底截面進(jìn)行驗(yàn)算，兩種計(jì)算方法作用在橋臺(tái)扶壁底截面各項(xiàng)作用如表1～表2所示。

表1 計(jì)算單元截面為T形單元時(shí)扶壁底截面各項(xiàng)作用效應(yīng)值

表2 計(jì)算單元截面為矩形單元時(shí)扶壁底截面各項(xiàng)作用效應(yīng)值

根據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范對(duì)各項(xiàng)作用效應(yīng)按不同設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行組合，得到兩種計(jì)算方法作用在每個(gè)扶壁結(jié)構(gòu)上的作用組合如表3所示。

表3 作用于臺(tái)身底面處最不利組合作用效應(yīng)

控制橋臺(tái)臺(tái)身裂縫寬度≤0.15mm，通過(guò)計(jì)算可知，計(jì)算單元截面為T形時(shí)需配置5根直徑22mm的HRB400鋼筋，計(jì)算單元截面為矩形時(shí)需配置10根直徑22mm的HRB400鋼筋，可見(jiàn)不考慮前墻參與受力的計(jì)算算方法較為保守。

3.4 前墻

扶壁式橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的前墻起擋土作用，計(jì)算時(shí)僅考慮土壓力的作用，上部結(jié)構(gòu)豎向作用及其產(chǎn)生的彎矩由扶壁抵抗，此時(shí)可取前墻底處豎向1m高度做為計(jì)算單元，計(jì)算模型為以側(cè)墻和扶壁為支撐的單向連續(xù)板，側(cè)墻處的約束應(yīng)模擬為剛性約束，前墻底部高度的土壓力以均布力的方式加載在結(jié)構(gòu)上。計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 前墻計(jì)算模型圖

3.5 承臺(tái)及樁基

將承臺(tái)底以上各種作用效應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行組合，計(jì)算出承臺(tái)底的最不利受力組合，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行承臺(tái)配筋、樁基驗(yàn)算，計(jì)算過(guò)程此處不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

為配合城市河網(wǎng)建設(shè)而設(shè)的中小橋，其跨越的河道對(duì)凈空往往要求較高，因此橋臺(tái)設(shè)計(jì)成為了橋梁設(shè)計(jì)中的核心，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)制定多種方案進(jìn)行對(duì)比，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)效益、地質(zhì)條件等方面綜合比較，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

文章結(jié)合通過(guò)分析比較，在跨越矩形斷面河道時(shí)，采用扶壁式橋臺(tái)是較為合理的選擇，可提高橋梁在較厚軟土層中的安全性和耐久性。

由于扶壁式橋臺(tái)構(gòu)造較為復(fù)雜，是一個(gè)空間受力的框架結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)關(guān)于這種橋臺(tái)的資料較少，筆者通過(guò)參考扶壁式擋土墻的受力特點(diǎn)，將橋臺(tái)的空間力系簡(jiǎn)化為平面力系，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)主要受力構(gòu)件按現(xiàn)行橋梁規(guī)范要求進(jìn)行分析計(jì)算。

[1] 曹利民.扶壁式輕型橋臺(tái)設(shè)計(jì) [J].公路，2005(2).

[2] JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3] 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].北京：人民交通出版社，2004.

The application of buttressed abutment in municipal bridge

ZHENGYufan

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute，F(xiàn)uzhou 350001)

There were some middle and small bridges designed for river network during the design process of Jinhu Avenue.The soft soil layer under the bridges is thicker.Several different bridge abutment forms were compared from the respects of structure stress, economy and construction in this paper.The buttressed abutment was selected in this project at last.This article briefly introduced the structure and calculating specialty of buttressed abutment.The paper also analyzed the main bearing structural members of buttressed abutment by using different calculation methods.

Municipal bridge; Buttressed abutment; Soft soil foundation; Calculation methods

鄭雨凡(1985.8- )，男，工程師。

E-mail:191637216@qq.com

2017-03-27

TU997

A

1004-6135(2017)06-0113-05