公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

曾獻(xiàn)軍

（撫州贛東公路設(shè)計院有限公司，江西撫州 344000）

0 引言

下部結(jié)構(gòu)是公路橋梁的主體，不僅工程量較大，而且涉及的知識內(nèi)容和技術(shù)種類相對較多，科學(xué)合理的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計既是保障工程質(zhì)量的重要手段，也是降低造價成本、提升工程效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，加強公路橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究是十分必要的。

1 公路橋梁橋臺結(jié)構(gòu)選型

1.1 輕型橋臺

輕型橋臺主要特點是整體質(zhì)量輕、體積小，利用鋼筋混凝土的抗彎能力，減少圬工體積，進(jìn)而達(dá)到減輕橋臺體積和質(zhì)量的目的。該類型的橋臺大多是直立的薄壁墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包括箱式、扶壁式以及撐墻式等，其中最為常見的結(jié)構(gòu)為帶扶壁的前墻以及側(cè)墻，擋土墻兩側(cè)與前墻之間的距離控制在2.5～3.5m。此外，還包括支撐梁輕型橋臺，該結(jié)構(gòu)多用于單跨或者小跨徑橋梁中，通過在橋臺間或者橋臺與橋墩之間設(shè)置支撐梁的方式進(jìn)行固定，確保支撐梁設(shè)計在河床鋪砌線之下，并使用錨栓連接橋臺與上部結(jié)構(gòu)，形成四鉸框架結(jié)構(gòu)，共同受力，在端臺后方被動土壓的作用下，維持整體穩(wěn)定性。

1.2 重力橋臺

根據(jù)橋梁跨徑、橋臺高度以及現(xiàn)場地形情況，進(jìn)行橋臺型式選擇。重力橋臺包括U 型結(jié)構(gòu)、埋置式橋臺以及一字式橋臺等。若為鐵路橋梁設(shè)計下部結(jié)構(gòu)，還可選用T 型橋臺等其他型式。以U 型橋臺為例，該型式橋臺主要包括臺身、臺帽、基礎(chǔ)以及側(cè)翼墻，從平面來看整體呈現(xiàn)U 型，該橋臺結(jié)構(gòu)簡單、基礎(chǔ)承壓面積較大，應(yīng)力小，有著較強的穩(wěn)定性和可靠性，但同時圬工體積偏大，內(nèi)部容易積水，積水結(jié)凍膨脹，會導(dǎo)致橋臺開裂。

1.3 埋置橋臺

埋置橋臺的臺身是埋置在臺前溜坡中的，因此無需另外構(gòu)建側(cè)翼墻，臺帽兩端耳墻直接與路堤相連，常見結(jié)構(gòu)包括直立式、后傾式等。埋置橋臺的臺身為圬工實體，臺帽以及耳墻材質(zhì)為鋼筋混凝土。該橋臺結(jié)構(gòu)的主要特點表現(xiàn)在圬工量較小，但同時由于溜坡需要深入橋孔，因此對河道造成了擠壓，在必要的情況下可適當(dāng)增加橋長。該橋臺型式適用于淺灘、溜坡沖刷小、填土高度不超過10m 的中等跨徑工程項目中。

1.4 組合橋臺

組合橋臺結(jié)構(gòu)下的橋墩和橋臺受力相同，根據(jù)橋臺與擋土墻之間的連接方式，可將其劃分為過梁式和錨定板式兩種，其中錨定板式還劃分為結(jié)合式和分離式，結(jié)合式的臺身與錨定板相連，同時具備擋土板和立柱；分離式結(jié)構(gòu)中臺身與擋土墻和錨定板互相分離，由臺身承擔(dān)上部水平和豎直力。

2 公路橋梁橋墩結(jié)構(gòu)選型

公路橋梁橋墩結(jié)構(gòu)選型需要根據(jù)墩高范圍、橋梁跨徑的實際情況合理選擇，如表1 所示。對于高度在50m 以下的橋梁，其上部結(jié)構(gòu)多為裝配式T 型梁，此類橋梁的橋墩結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際墩高范圍、跨徑情況等選擇雙柱式、薄壁式或者十字墩型式。對于特別巖溶發(fā)育、樁基施工困難的情況，為保障工程進(jìn)度和質(zhì)量，橋梁設(shè)計時需盡可能減少樁基數(shù)量，因此可采用單柱單樁設(shè)計型式。若橋梁的墩高和長度都相對較大，在進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)以減少汽車單向行駛過程中的累積變形為主要目標(biāo)設(shè)計，對此可根據(jù)實際情況選擇雙幅兩柱整體下部結(jié)構(gòu)。

表1 橋梁橋墩結(jié)構(gòu)選型

同時，下部結(jié)構(gòu)橋墩設(shè)計的過程中，還需要考慮橋梁上部構(gòu)造型式。其中，柱式墩基于自身重量較輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強以及施工便利、外形美觀等特點，在公路橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。以某高速公路為例，為強化提升公路的整體美觀性以及標(biāo)準(zhǔn)化，對于項目工程中跨徑和橋墩高度都不足50m 的橋梁均采用雙圓柱式墩；對于墩高在50m 以上的橋梁，采用空心薄壁墩型式。在進(jìn)行橋墩選型設(shè)計的過程中，需對以下三種情況進(jìn)行特殊考量和分析：

其一，橋墩高度超過60m 的情況，則需要針對橋梁承載力需求以及使用極限狀態(tài)進(jìn)行分析，在保障橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行橋墩結(jié)構(gòu)選型設(shè)計。

其二，連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)橋梁中，相鄰橋墩的穩(wěn)定性以及可靠性之間會互相影響，因此在進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要先對橋梁整體結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行分析。

其三，在對陡橫坡橋墩設(shè)計時，可能由于墩柱間無支高差較大，使得橋梁下部結(jié)構(gòu)受力存在不均勻的情況，影響橋梁使用安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此在設(shè)計橋墩時，需要加強對于此方面的重視，通過設(shè)置套筒、增加矮墩無支高度等方式，實現(xiàn)對于墩柱剛度的有效控制，平衡下部結(jié)構(gòu)受力。

除此之外，在進(jìn)行橋梁橋墩設(shè)計的過程中，還應(yīng)加強對于外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)的重視，明確施工現(xiàn)場實際水文、地質(zhì)等的情況，明確河流當(dāng)中是否存在大型漂浮物，是否會影響橋墩穩(wěn)定性，分析水質(zhì)情況，判斷其腐蝕性，以此為橋墩設(shè)計優(yōu)化提供良好參考，進(jìn)一步提升橋梁的可靠性，延長橋梁使用壽命。

3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點內(nèi)容

3.1 蓋梁內(nèi)力計算

傳統(tǒng)蓋梁內(nèi)力計算是按照設(shè)計圖紙，對各橫截面受力點和受力情況進(jìn)行分析和計算，以此確定內(nèi)力變化范圍，整個計算過程難度較大、耗時較長。對此，開發(fā)了通過構(gòu)建模型進(jìn)行計算的方式，極大地簡化了內(nèi)力計算流程和難度。

以某公路橋梁工程為例，該橋梁為28 跨30m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T 梁橋，全長856m，寬度為12m，4 跨一聯(lián)，橋墩為雙柱式墩結(jié)構(gòu)，柱間距為6.4m。蓋梁為雙懸臂式，控制界面為支點和跨中截面。采用簡支梁模型、鋼架模型以及實體模型三種模型計算，并進(jìn)行對比分析。不同計算模型中最不利組合工況下跨中以及支點內(nèi)力值如表2 所示。根據(jù)表2 可知，簡支梁模型中，跨中彎矩明顯偏小，主要原因在于該模型缺乏對于立柱寬度和剛度的影響分析；相比之下，實體模型充分考慮了各方面影響，因此支點彎矩相對較小，所建模型與實際情況之間契合度較高，但由于實際施工過程中橋墩立柱與蓋梁是分別進(jìn)行澆筑的，導(dǎo)致無法達(dá)到實體模型效果，因此由此模型計算得到的結(jié)果存在一定的安全隱患；而鋼架模型僅考慮了立柱剛度，缺乏對于寬度影響的分析，因此在使用該模型進(jìn)行計算分析時，需要對求得的支點彎矩進(jìn)行折減處理，經(jīng)計算后得到的支點彎矩為1966.7kN·m，與實體模型支點彎矩接近。在跨中剪力值計算方面，簡支梁模型和鋼架模型的最大剪力均位于支點，因此數(shù)值較為接近，而實體模型的最大剪力位于立柱邊緣，因此計算結(jié)果相對較小。在進(jìn)行蓋梁設(shè)計時，需要結(jié)合實際情況合理選擇相應(yīng)計算模型。

表2 不同計算模型中最不利組合工況下跨中以及支點內(nèi)力值

3.2 橋臺承力設(shè)計

與橋墩相比，橋臺結(jié)構(gòu)密實性較差，因此內(nèi)力不如橋墩穩(wěn)定，計算難度較大，除單純進(jìn)行荷載計算分析外，還需要對土壓力、負(fù)摩阻力、搭板自重等荷載壓力進(jìn)行分析。對此，在實際進(jìn)行橋臺內(nèi)力計算以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)對以下幾方面加強重視：

首先，對于軟土地基而言，其本身承載力、穩(wěn)定性較差，在計算土壓力時，需要從深層次進(jìn)行考量；

其次，軟土地基下，橋臺應(yīng)與路線呈正交方式進(jìn)行設(shè)計，以此達(dá)到縮短臺身程度的目的，并在適當(dāng)位置合理設(shè)置收縮縫，縮短受拉范圍，減少橋臺由于收縮產(chǎn)生的形變量，降低裂縫出現(xiàn)的概率；

最后，在選擇埋置式橋臺時，其所承受的土壓力計算需要以原地面或者沖刷線為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，若土質(zhì)情況不佳，還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開驗證分析，以此判斷橋臺設(shè)計過程中地面下橋臺后方深層土壓力影響。

以埋置式橋臺內(nèi)力計算為例，針對土壓力變化情況進(jìn)行分析。在進(jìn)行土壓力分析的過程中，需要充分考量施工現(xiàn)場實際情況和地質(zhì)條件，而且由于橋梁工程本身的特殊性，在實際進(jìn)行施工的過程中，地基部分可能出現(xiàn)滲水等不良現(xiàn)象，影響土壓力以及施工安全性，為保障下部結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，確保內(nèi)力計算分析的科學(xué)性以及合理性，在進(jìn)行土壓力計算時，應(yīng)從以下幾個方面入手，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：

第一，為降低橋臺承受的土壓力，可適當(dāng)增加橋梁長度，進(jìn)而降低橋臺高度，以此提升橋梁穩(wěn)定性；

第二，壓力數(shù)值會隨著受力面的增加而不斷降低，因此在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可鋪設(shè)竹筏材料，以此增加受力面，降低橋臺承力，進(jìn)而達(dá)到降低設(shè)計難度、節(jié)約項目成本的目的；

第三，通過減輕臺背荷載的方式，減少橋臺負(fù)載壓力，對此在進(jìn)行橋臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要積極選用輕質(zhì)施工材料，也可在情況允許的前提下，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充空箱；

第四，借助平衡壓重填土的方式，在橋臺前后進(jìn)行填土壓重，以此提高橋臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升橋梁整體質(zhì)量。

3.3 樁筋以及樁長設(shè)計

樁筋與樁長是橋梁下部結(jié)構(gòu)主體，對于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載力以及質(zhì)量有著重要影響。在實際進(jìn)行樁筋以及樁長設(shè)計的過程中，應(yīng)重視以下兩方面內(nèi)容：

一方面，樁筋的配置和設(shè)計是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果展開的，著重加強對于最大負(fù)彎矩位置的配筋設(shè)計，需要從樁頂位置展開，直到最大負(fù)彎矩一半以下相應(yīng)位置，然后減少一半配筋，再繼續(xù)延伸到彎矩為0以下的位置。若施工現(xiàn)場地質(zhì)情況相對較差，為軟土地基，為保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，樁主筋需要延伸并穿過軟土層。

另一方面，值得注意的是，在軟土地基中進(jìn)行橋梁樁筋計算時，避免套用以往計算方法，需結(jié)合實際結(jié)構(gòu)受力點情況展開計算和分析?？上韧ㄟ^假設(shè)有效樁長，確定樁最大彎矩位置以及彎矩0 點位置，然后再展開配筋計算，保障配筋節(jié)點位置判斷的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)配筋長度不足的情況。

3.4 路基沉降滑動設(shè)計

一旦出現(xiàn)橋頭路基沉降或者滑動情況，將會對公路橋梁形式安全產(chǎn)生直接影響，為避免安全事故的發(fā)生，在進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要加強對于路基沉降滑動方面的預(yù)防和分析。

第一，加強材料質(zhì)量把控，嚴(yán)禁不合格材料進(jìn)入現(xiàn)場。

第二，著重提升路基密度，在路基縫隙中填補木屑、碎石，提高路基穩(wěn)定性。

第三，通過超載預(yù)壓，促使路基提前沉降，降低后續(xù)沉降量，保障工程安全。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計中技術(shù)問題處理對策

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足工程建設(shè)需求，同時還需要對可能發(fā)生的不良情況以及潛在問題進(jìn)行分析，并通過設(shè)計策略，解決、排除相應(yīng)隱患問題。對此，在進(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要加強以下幾個方面技術(shù)問題的分析和處理：

第一，樁長變更。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計需要參考相應(yīng)地質(zhì)數(shù)據(jù)，但由于地質(zhì)情況存在不穩(wěn)定性，因此相應(yīng)地質(zhì)數(shù)據(jù)并不是唯一不變的，實際施工過程中可能遇到巖石層等不良情況，導(dǎo)致施工無法繼續(xù)推進(jìn)。對此需要延長原有設(shè)計樁長，但樁長的變更關(guān)乎橋梁整體結(jié)構(gòu)和受力情況，需要施工單位與設(shè)計人員共同進(jìn)行分析探討，保障設(shè)計的合理性和可行性。

第二，斷樁隱患。針對可能出現(xiàn)的斷樁問題，應(yīng)加強對于混凝土配比以及攪拌等相關(guān)參數(shù)設(shè)計的控制，并對實際施工操作進(jìn)行監(jiān)控和測量，避免出現(xiàn)偷工減料，或者隨意變更混凝土材料用量等不良情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題就要及時處理。

第三，橫系梁應(yīng)用。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，若橋墩高度較高，整體穩(wěn)定性較差，需要采用橫系梁，并將其設(shè)計在水位之上，避免水下建梁對于材料質(zhì)量要求較高，增加工程成本。

5 結(jié)語

綜上所述，公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計要點主要包括橋臺、橋墩結(jié)構(gòu)選型，相應(yīng)內(nèi)力分析以及配筋分析等。在此過程中，需要對施工現(xiàn)場地質(zhì)、環(huán)境以及橋梁受力情況等進(jìn)行綜合分析，明確下部結(jié)構(gòu)受力點以及不良內(nèi)力情況，合理展開細(xì)節(jié)設(shè)計，并針對可能出現(xiàn)的沉降、斷樁等不良情況和隱患問題進(jìn)行設(shè)計，全面保障下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。