讨论桥梁下部结构的选型及设计

时间：2024-08-31

罗余良

中铁十二局集团第一工程有限公司（030022）

0 前言

在桥梁的整体设计中,下部结构的选型对整个桥梁设计方案有较大影响。合理的选型将使上下部结构的造型协调一致，轻巧美观。桥梁下部结构应满足交通需求、安全耐久、造价低、维修养护少、施工方便、工期短、与周围环境协调和造型美观等原则。对于城市立交桥，在桥梁细部结构的造型上将比一般公路结构有更高的要求。另外,桥梁下部结构的设计与结构受力、水文、地质构造等密切相关,同时应考虑地震、温度影响力等作用。这就需要设计者善于结合工程实际不断探索和总结,提高下部结构的设计质量及使用效果,使其选择与布设能够更加合理、经济。

1 桥墩结构形式

桥墩按其构造可以分为实体桥墩，空心桥墩，柱式排架桩墩，柔性墩和框架墩等五种类型。按墩身横截面可分为矩形、圆形等。在工程中常遇到的桥墩有如下几种形式：

1.1 柱式桥墩

带盖梁单排桩柱式桥墩是用能承受弯矩的盖梁来代替实体式桥墩上的墩帽，当采用群桩基础时，需在桩顶设置承台，使各桩共同受力，并通过它使柱与桩相连(一般适用于简支梁桥或先简支后连续的连续梁桥)。

1.2 重力式实体桥墩

靠自身恒载(包括桥垮结构恒载)来平衡外力(偏心力矩)和保证桥墩的稳定(抗倾覆稳定和抗滑稳定)。因体积较大，阻水面积增大,抗冲击力较差,不宜用在流速大并有大量泥沙的河流。对地基承载力的要求高,墩身多做成实体式的,不配钢筋,多用素混凝土或片石混凝土砌筑。

1.3 钢筋混凝土薄壁墩

钢筋混凝土薄壁墩又可分为单肢薄壁墩和双肢薄壁墩两种形式。前者墩身重量较轻,可节约材料,适用于地质条件较差时的简支梁桥上;后者适用于墩梁固结的连续刚构桥上(多用于互通式立交的跨线桥上)。

2 桥台结构形式

桥梁桥台可以分为重力式桥台和轻型桥台,除了这两种以外，还有组合式桥台和承拉式桥台等等，主要介绍如下两种：

2.1 轻型桥台

轻型桥台的特点是,台身体积较小,自重较小，台身为直立的薄壁墙,台身两侧设有翼墙(用于挡土),可以将侧墙做成斜坡。在两桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，上部结构与桥台通过锚栓连接,构成四铰框架结构系统,并借助两端台后的土压力来保持稳定。它借助于结构的整体刚度和材料强度承受外力,为在软土地基上建筑桥台提供了经济可行的途径。

2.2 钢筋混凝土薄壁桥台

薄壁轻型桥台常用的形式有悬臂式、扶壁式、撑墙式及箱式等。这种桥台是由带扶壁的前墙和侧墙以及水平底板构成。挡土墙由前墙和间距为2.5～3.5m的扶壁组成。

3 下部结构设计计算

为了减少软土地基位移对超静定结构的影响,上部结构多采用标准梁的先简支后连续的构造,这样整个工程的设计计算工作就集中于下部结构的选用和计算,因而下部结构内力计算方法的选择是否正确,考虑因素是否全面,直接关系到整个工程的造价高低及安全与否,为此在下部结构的设计过程中,一般进行下列计算：

3.1 桥墩内力计算

墩桩顶的最大竖向力计算非常简单,这里不再叙述;墩桩顶水平力计算，运用柔性墩理论中的集成刚度法，将桥面汽车制动力及梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震产生的水平力在全联墩台进行分配,最后根据不同组合的墩桩顶水平力、弯矩及对应墩桩顶竖向力进行桩基各截面内力计算。

对于横向陡边坡上的桥墩设计,同一墩位2个(或3个)墩柱存在较悬殊的无支长度差异,因刚度差异造成桥墩横向受力分配的不均匀。

3.2 桥台内力计算

桥台除了受与桥墩相似的荷载之外,竖向荷载还增加了土压力、负摩阻力、搭板自重等荷载;水平荷载增加了土压力,其影响复杂,设计时需注意以下几点：

1)内力计算应注意的问题。①软土地基上带基桩的钢筋混凝土薄壁桥台土压力计算按深层考虑。②软基路段桥台应尽量设置为与路线正交的形式,减小台身长度,在适当的位置设置伸缩缝,以缩短受拉区长度,减小台身砼的收缩变形量,抑制台身的竖向斜向裂缝的发生。

2)埋置式桥台土压力一般是以原地面或一般冲刷线起计算的,对较差土质,需要进行验算,确定是否考虑地面以下台后深层土对桩水平力的影响。

3)桥头路基沉降、滑动验算。首先,路基沉降过大、桥头跳车、台背和梁端过早损坏,加大竖向土压力及负摩阻力,造成桥台盖梁开裂及桩基不均匀下沉、路面开裂及路基渗水，导致路基失稳。其次,由于路基滑动使桥台所承受的水平土压力已远大于计算值,对于桥头高路基和处于改河、填沟段或路基外不远处有沟、河的,更要注意深层滑动的验算。