柱式組合橋臺在山區(qū)橋梁中的設(shè)計研究

高朋

摘要 山區(qū)地形陡峭，橋梁布設(shè)受限，橋臺時常位于陡峭邊坡處，傳統(tǒng)橋臺往往難以滿足此類橋梁的特殊需求，因此設(shè)計出一種安全、經(jīng)濟、合理、適用的橋臺成為山區(qū)橋梁設(shè)計的重點。文章以具體工程實例為研究對象，通過闡述其橋梁方案的設(shè)計思路，對比多種方案的優(yōu)缺點，著重探討柱式組合橋臺在此類橋梁中的適用性及優(yōu)勢，同時，采用Midas Civil對柱式組合橋臺結(jié)構(gòu)受力進行有限元分析。研究表明，柱式組合橋臺是一種安全、經(jīng)濟、合理的新型橋臺，可為今后位于陡峭邊坡處的橋臺設(shè)計提供新思路、新選擇。

關(guān)鍵詞 柱式組合橋臺；山區(qū)橋梁；有限元；受力分析

中圖分類號 U442.5文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0048-04

0 引言

隨著我國交通強國戰(zhàn)略的實施，公路、鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展，公路修建規(guī)模不斷攀升并向山區(qū)延伸[1]。山區(qū)公路項目中橋梁占比高，數(shù)量眾多，其建設(shè)常常面臨周期緊張的挑戰(zhàn)?？紤]我國當(dāng)前的技術(shù)、經(jīng)濟條件，山區(qū)公路橋梁中標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化的主梁形式占據(jù)主導(dǎo)地位[2]，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計與施工，可以有效提升工程質(zhì)量，縮短建設(shè)周期。我國山區(qū)地形陡峭，復(fù)雜多變，橋梁時常位于山谷或深路塹處，其布設(shè)往往受限。在采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置的情況下，要么橋臺位于較高填方處，通常采用U形重力式橋臺，病害較多；要么增加一跨橋梁，其邊跨深入挖方路段較長，極其不經(jīng)濟。此時，如何使橋臺方案設(shè)計得更安全、更經(jīng)濟、更環(huán)保，需要因地制宜，綜合考慮，才能做出較科學(xué)、合理的設(shè)計方案[3]。

1 工程實例

1.1 工程概況

湖南省白果至南岳（含衡山支線）高速公路開云互通位于湖南省衡陽市衡山縣長江鎮(zhèn)石橋鋪社區(qū)，其L匝道上跨主線，交叉處路基寬度31.1 m，主線位于路塹路段，坡口寬度為57.4 m，出于行車安全考慮，中央分隔帶不設(shè)立橋墩，匝道橋一孔跨越主線，響應(yīng)該項目標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與施工的理念，上部結(jié)構(gòu)采用1孔40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，兩側(cè)橋臺均位于陡峭的路塹邊坡上，填高均超過8.8 m，地質(zhì)覆蓋層為粉質(zhì)黏土，層厚3 m，地基承載力為200 kPa，下層為強風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，地基承載力為350 kPa。

1.2 方案比選

由于橋梁上部結(jié)構(gòu)需要跨越該項目的高速公路主線，橋跨不宜前后移動，兩側(cè)橋臺填土均較高，且位于路塹邊坡上，臺前不能放坡，選用合適的橋梁方案成為該橋梁設(shè)計的重點。為此，選用如下橋梁方案進行比選：

1.2.1 采用重力式U形橋臺

橋臺采用重力式U形橋臺，如圖1所示，重力式U形橋臺是高速公路橋梁一種較為常見的橋臺型式，由臺身（前墻）臺帽、基礎(chǔ)與兩側(cè)的翼墻組成，在平面上呈“U”字形，適用于填土8～10 m高度的中等以上跨徑的橋梁。具有構(gòu)造簡單、基底承壓面大、應(yīng)力較小、抗水平推力能力強等優(yōu)點[4]，且臺身和基礎(chǔ)多為圬工材料，取材方便，施工簡單，工程造價較低。但因其臺后填土較高，造成土壓力較大，U形重力式橋臺主要依靠自重來平衡臺后的土壓力，橋臺自身體積很大，其往往存在以下病害：

（1）圬工及開挖量大，對周邊環(huán)境造成較大破壞。

（2）現(xiàn)場分層砌筑，施工周期較長。

（3）對基礎(chǔ)地質(zhì)條件要求較高，該項目經(jīng)計算所需地基承載力為515 kPa，強風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r地基承載力為350 kPa，不滿足要求，需進行換填處理或者采用樁基U臺，而樁基U臺往往同樣會存在該項其他部分病害。

（4）臺后填土不易壓實，易發(fā)生沉降，造成路面下沉破損。

（5）臺內(nèi)填土容易積水，結(jié)冰后凍脹，使橋臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[4]。

（6）臺內(nèi)填土積水會造成回填土的內(nèi)摩擦角減小，根據(jù)規(guī)范[5]中主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式可知，會使μ數(shù)值增大，從而增大主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，即臺后主動土壓力增大，進而更易造成前墻、側(cè)墻外傾，使前墻、側(cè)墻開裂及前墻與側(cè)墻間產(chǎn)生豎向裂縫。

（7）由于重力式橋臺先天性缺陷、基礎(chǔ)不均勻沉降、車輛荷載的沖擊、混凝土收縮徐變及溫度力等影響均會造成臺身結(jié)構(gòu)開裂，如臺身網(wǎng)狀裂縫、側(cè)墻水平裂縫及向下的倒三角斜裂縫、前墻豎向貫通裂縫等[6]。

（8）由于臺后土壓力作用導(dǎo)致橋臺前墻前傾，致使背墻與梁板頂死，伸縮裝置失去原有功能，如浙江省金麗溫高速公路金華段上坑寺橋[7]。

1.2.2 兩側(cè)各增加一跨橋梁

當(dāng)橋梁起終點位于陡峭邊坡處時，為了避免高橋臺，以往設(shè)計通常選擇在橋跨起點或者終點增加一跨橋梁，采用柱式橋臺，如圖2所示，此方案優(yōu)點為結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)妥，但增加的橋梁邊跨往深入較長的挖方路段，會存在以下缺點：

（1）開挖、防護工程量較大，增加工程造價。

（2）浪費橋梁主體，極其不經(jīng)濟。

（3）對周邊環(huán)境造成較大破壞，不符合綠色建橋的新理念。

（4）部分山區(qū)橋梁位于有潛在地質(zhì)災(zāi)害的山體邊坡處，開挖邊坡易誘發(fā)溜塌、崩塌、風(fēng)化剝落、落石及滑動等地質(zhì)災(zāi)害，如成武高速平洛河19號大橋、平洛河3號特大橋等[8]。

（5）部分橋梁位于交叉口附近，若增加一跨，橋跨直接進入交叉口，交叉口寬度較寬，橋梁寬度要相應(yīng)增加，主梁需要做成異形梁[9]，預(yù)制橋梁很難滿足其寬度

要求，增加施工難度的同時，也增加了施工周期。

（6）部分橋梁增加橋跨會進入道路交叉口等路線加寬路段，橋梁寬度要相應(yīng)增加，且預(yù)制橋梁很難滿足其寬度要求，增加施工難度的同時，也增加了施工周期。

（7）若為了減少開挖工程量，而將邊跨改為小跨徑，會增加橋梁跨徑類型，增加橋梁模板，增加施工周期，不符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計施工理念，且邊跨結(jié)構(gòu)為簡支結(jié)構(gòu)，降低行車舒適性。

項目起終點兩側(cè)均位于陡峭邊坡處，需要在兩側(cè)均增加一跨橋梁，該方案以上缺點弊端尤為突出，不能更好地滿足設(shè)計要求。

1.2.3 采用柱式組合橋臺

采用柱式組合橋臺，如圖3所示。柱式組合橋臺是近年來橋梁設(shè)計師們根據(jù)以往工程實踐需求設(shè)計出的一款新型橋臺，由橋臺頂板、背墻、臺帽、蓋梁及前后兩排樁基組成，其橋臺頂板跨徑可以根據(jù)現(xiàn)場實際地形進行調(diào)整，相較于其他傳統(tǒng)橋臺，在地形陡峭，橋梁布設(shè)受限，橋臺位于陡峭邊坡處時，具備其獨有的優(yōu)點：

（1）頂板跨徑可根據(jù)地形調(diào)節(jié)，可有效避免橋梁過多進入挖方路段，減少對周邊環(huán)境破壞的同時，可有效減少開挖、防護工程量，降低工程造價。

（2）柱式組合橋臺解決了臺后擋土問題，其橋臺端部位于填挖交接處，無須設(shè)置錐坡的同時可以取消耳墻，減少工程量，從而降低工程造價。

（3）采用框架結(jié)構(gòu)，增加了橋臺的整體性和穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

柱式組合橋臺除具備其獨有的優(yōu)勢外，還保留傳統(tǒng)橋臺的固有優(yōu)勢，比如：采用樁基設(shè)計，對地質(zhì)條件適應(yīng)性更強；結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，施工方便，工程造價低；等等。因此，柱式組合橋臺相較于方案一、二，具備可以有效避免對山體的過度開挖、后期防護，減少對橋臺周邊環(huán)境的破壞，臺身工程量小、施工方便快捷，結(jié)構(gòu)安全耐久等特點，其設(shè)計可以更好地符合“綠色建橋”“更安全、更環(huán)?！钡痊F(xiàn)代化公路設(shè)計理念。

2 結(jié)構(gòu)計算分析

組合式橋臺頂板、臺帽、蓋梁、樁基的驗算，應(yīng)符合規(guī)范[10]的要求。樁基按軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件驗算兩次。

柱式組合橋臺計算采用邁達斯程序，全橋整體建模對其進行空間受力分析，橋臺采用梁單元模擬，樁土作用按土彈簧模擬。計算模型結(jié)構(gòu)離散如圖4所示。

2.1 橋臺頂板

橋臺頂板承受汽車活載、結(jié)構(gòu)恒載、溫度荷載、收縮徐變等荷載，其與背墻及蓋梁剛接，跨徑可依據(jù)現(xiàn)場地形進行調(diào)整，該項目頂板跨徑為8 m，頂板厚度0.8 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置一層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距10 cm。其承載能力極限狀態(tài)正截面抗彎承載力和正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算結(jié)果如圖5～6所示。

由計算結(jié)果可知，頂板正截面抗彎承載力和抗裂計算均滿足規(guī)范要求（斜截面抗剪承載力不控制，未列出）。

橋臺頂板的上部結(jié)構(gòu)恒載、汽車活載等荷載，臺帽梁高1.8 cm，寬2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。

2.2 橋臺臺帽及蓋梁

橋臺臺帽承受結(jié)構(gòu)自重、溫度荷載、收縮徐變、通過支座及背墻傳遞下來的主梁及橋臺頂板的上部結(jié)構(gòu)恒載、汽車活載等荷載，臺帽梁高1.8 cm，寬2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。

橋臺蓋梁承受結(jié)構(gòu)自重、橋臺頂板結(jié)構(gòu)恒載、汽車活載等荷載，蓋梁梁高1.4 cm，寬2.2 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。橋臺臺帽及蓋梁計算內(nèi)容同橋臺頂板，其計算結(jié)果未列出，均滿足規(guī)范要求。

2.3 橋臺樁基

樁基為圓柱樁，直徑均為1.8 m，采用C35混凝土。圓形截面偏心受壓構(gòu)件的正截面抗壓承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）

（2）

（3）

經(jīng)計算，樁基偏心受壓正截面抗壓承載力滿足規(guī)范要求（樁基計算不控制，計算結(jié)果未列出）。

3 結(jié)束語

柱式組合橋臺已在湖南地區(qū)應(yīng)用多年，該文通過不同方案的比選及對柱式組合橋臺的結(jié)構(gòu)受力分析，再次證明柱式組合橋臺是一種安全、經(jīng)濟、合理的新型橋臺，其穩(wěn)定性及整體性好，施工簡便、工程造價低、地質(zhì)適應(yīng)性強，在橋臺處于邊坡較陡峭、橋梁布跨受限時具備較傳統(tǒng)橋臺獨有的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，可為今后的橋臺設(shè)計提供更多的選擇。

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