橋臺(tái)結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)的探討

魏國

摘 要：道路和橋梁建設(shè)的增加是交通運(yùn)輸快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的重要體現(xiàn)，這些項(xiàng)目的實(shí)施改善了我國的交通網(wǎng)絡(luò)體系，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造了良好條件和文化交流。橋臺(tái)結(jié)構(gòu)是否安全穩(wěn)定將決定其是否可以安全可靠的支撐起上部結(jié)構(gòu)和橋梁整體，在設(shè)計(jì)過程中，必須遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，保證下部結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下為上部結(jié)構(gòu)提供安全可靠支撐。在此基礎(chǔ)上，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)提出根據(jù)不同橋梁類型、地質(zhì)水文情況、橋梁高度如何選定橋臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形提出一些優(yōu)化橋臺(tái)結(jié)構(gòu)方法，這些方法不僅可以滿足橋臺(tái)結(jié)構(gòu)安全需要，更能有效降低工程造價(jià)。

關(guān)鍵詞：道路橋梁;橋臺(tái)結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

在道路與橋梁工程建設(shè)和運(yùn)營階段，必然會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生一些影響，若橋梁在設(shè)計(jì)過程中未充分考慮對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響程度和采取必要減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響程度的措施，建設(shè)和運(yùn)營過程中若要再采取措施減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，勢(shì)必需要付出高昂的經(jīng)濟(jì)成本，因而為使橋梁工程更好地匹配現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，就需要從橋梁設(shè)計(jì)階段開始，充分考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與周圍環(huán)境的匹配性，通過多方案比較盡最大程度減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響程度。橋臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，更應(yīng)在降低工程造價(jià)同時(shí)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

1 橋梁下部結(jié)構(gòu)概述

橋梁是供道路、渠道、管線、行人等跨越河流、山谷或其他交通線路等各種障礙物時(shí)所使用的承載結(jié)構(gòu)物，通?？煞稚喜拷Y(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)，其中上部結(jié)構(gòu)也稱橋跨結(jié)構(gòu)。橋梁下部結(jié)構(gòu)是指橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)在地基上用以支撐橋跨結(jié)構(gòu)，將其荷載傳遞至地基的結(jié)構(gòu)部分，一般包括橋墩、橋臺(tái)和墩臺(tái)基礎(chǔ)。橋墩是多跨橋梁中處于相鄰橋跨之間并支撐上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造物，橋臺(tái)是位于橋梁兩端與路基相連并支撐上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造物，墩臺(tái)基礎(chǔ)是橋梁墩臺(tái)底部與地基相接觸的結(jié)構(gòu)部分。目前設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)橋臺(tái)高度、地質(zhì)情況通常橋臺(tái)可分為樁柱式橋臺(tái)，勒板式橋臺(tái)、重力式橋臺(tái)等;橋臺(tái)基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)情況分為擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，其中樁基礎(chǔ)又可分為鋼筋混凝土摩擦樁和嵌巖樁。

2 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)型式的選擇

（1）樁接蓋梁式橋臺(tái)。樁柱式橋臺(tái)主要由樁基礎(chǔ)、短柱、臺(tái)帽、背墻和橋臺(tái)兩側(cè)耳墻組成，該類橋臺(tái)一般適用于30 m以下小跨徑梁式橋臺(tái)，橋臺(tái)處地面至橋面高度2 m～5 m，橋臺(tái)前方和兩側(cè)做少量的錐坡防護(hù)。該橋臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，通常采用單排樁柱基礎(chǔ)，樁柱可采用相同或不同直徑，一般樁柱采用不同直徑且樁柱在地面附近為變截面樁柱比較合理;臺(tái)帽高度一般根據(jù)橋跨大小和下部樁間距來計(jì)算，另為保證橋臺(tái)樁基礎(chǔ)不承受上部結(jié)構(gòu)傳遞較大不平衡彎矩作用，通常設(shè)計(jì)盡量保證臺(tái)帽頂支座中心線和單排樁基礎(chǔ)中心線相重合。

（2）勒板式橋臺(tái)。勒板式橋臺(tái)在實(shí)際工程中應(yīng)用最多，其主要由樁基礎(chǔ)或天然基礎(chǔ)、承臺(tái)、勒板、臺(tái)帽、背墻和橋臺(tái)兩側(cè)耳墻組成，該類橋臺(tái)一般適用于橋臺(tái)處地面至橋面高度4 m～8 m，橋臺(tái)前方和兩側(cè)須設(shè)置錐坡防護(hù)，保證橋臺(tái)的勒板、承臺(tái)都埋入土中。為保證勒板承擔(dān)較小的土壓力，一般勒板在橫橋向設(shè)計(jì)寬度較小[2]，縱橋向采用較大尺寸以增加其抗彎剛度，使上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向力能均勻傳遞到承臺(tái)和樁基礎(chǔ)，也大大減小了樁基需要承擔(dān)的縱橋向彎矩作用;承臺(tái)一般按照構(gòu)造要求設(shè)計(jì)。

（3）重力式橋臺(tái)。重力式橋臺(tái)主要由基礎(chǔ)、臺(tái)身、臺(tái)帽、背墻和橋臺(tái)兩側(cè)側(cè)墻組成，該類橋臺(tái)一般適用于橋臺(tái)處地面至橋面高度5 m～10 m，橋臺(tái)后方一般順接路基重力式路堤墻。該橋臺(tái)主要靠自重來平衡臺(tái)后土壓力，其中橋臺(tái)基礎(chǔ)、臺(tái)身和側(cè)墻多數(shù)由漿砌片石、片石混凝土或素混凝土就地澆筑，臺(tái)帽和背墻一般采用鋼筋混凝土澆筑，因臺(tái)帽全部支撐在臺(tái)身上，無需承受彎矩作用，臺(tái)帽厚度一般采用40 cm～50 cm，僅按構(gòu)造配置鋼筋。

3 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

（1）臺(tái)階式重力橋臺(tái)。重力式橋臺(tái)縱橋向長度一般為5 m～8 m，橫橋向?qū)挾缺葮驅(qū)? m左右，由于該類橋臺(tái)基礎(chǔ)尺寸較大，因而僅適用于基礎(chǔ)持力層好、橋臺(tái)處地勢(shì)平緩，基礎(chǔ)開挖工程量小地形。而山區(qū)橋梁多數(shù)架設(shè)于“V”形山谷，且?guī)r層外露，在該類地形上修建橋梁，若采用一般形式重力式橋臺(tái)必然會(huì)引起大量邊坡開挖和邊坡支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，工程造價(jià)高，因而橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形將重力式橋臺(tái)設(shè)計(jì)成臺(tái)階形狀[2]。

如在某V型山谷修建一座小型拱橋，地表2 m以下為中風(fēng)化花崗巖，為降低施工難度和減少橋臺(tái)開挖工程量，根據(jù)該山谷花崗巖傾角將側(cè)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成臺(tái)階形狀;另為加大橋臺(tái)抗滑穩(wěn)定系數(shù)，由于橋臺(tái)開挖后中風(fēng)化巖面新鮮、完整，設(shè)計(jì)采用直徑32 mm錨桿錨入中風(fēng)化巖層2.0 m，預(yù)留1.0 m澆筑在混凝土拱座內(nèi)，錨桿間距0.6×0.6 m，使橋臺(tái)抗滑穩(wěn)定顯著增大。本橋通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使橋臺(tái)結(jié)構(gòu)不僅保證其安全，更在降低工程造價(jià)同時(shí)最大程度減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響。

（2）扶壁式橋臺(tái)。重力式橋臺(tái)主要靠自重來平衡土壓力，對(duì)于30 m以下小跨徑橋梁，其橋臺(tái)自重作用在基底產(chǎn)生的豎向力一般為上部恒載傳遞到基底豎向力的2～3倍，甚至更大，若橋臺(tái)基礎(chǔ)持力層較好，設(shè)計(jì)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)即可滿足承載力要求;若基礎(chǔ)持力層不好，設(shè)計(jì)需采用摩擦樁基礎(chǔ)時(shí)，由于重力式橋臺(tái)自重過大，導(dǎo)致橋臺(tái)樁基長度顯著增大（其中樁基約70%長度來承受橋臺(tái)自重作用），橋臺(tái)工程投資明顯偏高。因而對(duì)于基礎(chǔ)持力層較差的重力式橋臺(tái)設(shè)計(jì)將其優(yōu)化為扶壁式橋臺(tái)，通過將重力式橋臺(tái)中自重最大臺(tái)身

和側(cè)墻調(diào)整成鋼筋混凝土扶壁和前墻，在滿足橋臺(tái)結(jié)構(gòu)安全同時(shí)又能降低橋臺(tái)自重和減短樁長。

如在陜北某馬蘭狀黃土地區(qū)修建一座20 m長11 m寬跨線橋，由于橋臺(tái)后需順接路基扶壁式擋土墻，設(shè)計(jì)最早采用8 m高重力式橋臺(tái)，側(cè)墻長5 m，該橋臺(tái)自重約為9 000 kN，上部恒載在橋臺(tái)處產(chǎn)生豎向力約為2 100 kN，橋臺(tái)自重約為上部恒載在橋臺(tái)處產(chǎn)生豎向力的4倍，樁基長度40 m偏長，橋臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸不合理;通過將橋臺(tái)優(yōu)化調(diào)整為鋼筋混凝土扶壁式橋臺(tái)，其中前墻厚0.75 m，側(cè)墻厚厚0.6 m，勒板厚0.5 m厚（間距1.75 m一道，全橋布置5道），橋臺(tái)整體高度和寬度不變，該扶壁式橋臺(tái)自重約為5 500 kN，橋臺(tái)自重減少40%，使橋梁樁基長度減短約30%。本橋通過在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化方案，使橋臺(tái)結(jié)在保證安全同時(shí)降低工程造價(jià)。

4 結(jié)語

在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)的各種荷載傳遞給基礎(chǔ)的下部結(jié)構(gòu)是否安全可靠，其直接影響著整座橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，而橋臺(tái)結(jié)構(gòu)作為橋梁下部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，更起著至關(guān)重要的作用。因此在進(jìn)行橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀的原則”出發(fā)，使橋臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證其安全穩(wěn)定，更應(yīng)在降低工程造價(jià)同時(shí)使其與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境融為一體， 從而使整座橋梁工程得到最堅(jiān)實(shí)的保障。 這就要求設(shè)計(jì)者不斷探索和總結(jié)，不斷提高設(shè)計(jì)思想和開拓設(shè)計(jì)理念，使設(shè)計(jì)產(chǎn)出布局更為合理和經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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