浅谈桥梁下部结构设计中的几个关键环节

近年来，为了减少工程材料、降低工程造价，设计人员在高墩桥梁下部结构设计中希望应用柔性墩台的理论设计出柔性桥墩，利用桥墩自身的变形(即墩顶水平位移)，通过上部结构传递桥梁及墩台承受的各种水平力(包括温度力)来实现桥梁下部构造轻型化，同时也减少水平外力对桥梁上部结构的影响。但同时，柔性高墩的结构计算工作也成为高墩桥梁下部结构设计中的重点难点问题。

集成刚度法的概念。集成刚度法是指把单层多跨结构，逐跨浓缩为两端具有抗推的弹性支承的单跨结构，从而逐跨解析结构内力。结构抗推(拉)的刚度用一弹簧表示，利用弹簧模型的串、并联关系模拟刚度的集合。

集成刚度法计算柔性桥墩的主要概念有两点，一是用串联的和并联的弹簧结构来模拟柔性墩及其支座，二是由一端岸墩起逐孔的将若干孔桥梁的总抗推刚度推算出来，称为集成刚度，用以解算全桥的位移和受力。对于连续梁桥，墩顶橡胶支座可视作水平弹性支承，故桥墩与其支座的集成刚度可认为是串联关系，而各个桥墩之间，由于有共同的上部结构连接因而位移相同受力却各自分担，可认为各个桥墩之间是并联关系。

在应用集成刚度法的具体计算过程中，应该注意在首次水平力计算完毕后，应对各墩台分配到的水平力和桥梁支座摩阻力进行比较，确定是否需要再分配计算。下部墩柱水平力的计算。下部墩柱水平力主要包括汽车制动产生的水平力和温度变化产生的水平力。集成刚度法就是通过计算出一联桥墩台各自的刚度以及该联桥的总抗推刚度，通过各墩台自身刚度占该联桥总抗推刚度的比例来分配该联桥的制动力和温度力，以求解各墩台所承受的水平力。然后通过该水平力求得墩台所承受的最大弯矩，并计算出墩台的竖向力，进行配筋计算和裂缝验算，完成整个墩台的下部结构设计。

二、桥台结构组式选用问题分析

1、底部设有支撑梁的轻型桥台

按照具墙(侧绮)的形式和布置方式，轻型桥台又可分为:一字形轻型桥台、八字形轻型桥台、耳墙式轻型桥台。其最大的特点是台身体积较小，且为直立的薄壁端，两侧设有具墙(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.这种桥台适用于小跨径桥梁，桥跨孔数与轻型桥墩配合使用时不宜超过三孔，且桥梁全长不宜大于20m，单孔跨径不宜大于13m。

2、钢筋混凝土薄壁桥台

带扶壁的前墙和侧墙以及水平底板构成钢筋混凝土薄壁桥台，挡土墉由前墉和间距为2. 5--3. 5m的扶壁组成，台顶由竖直小端和支于扶壁上的水平板构成，用于支承桥跨结构。两侧薄壁可以与前墙垂直，有时也做成与前墙斜交的形式与重力式桥台相比较而言，可减少污工体积的40%--50%，同时，因自重减轻也减少了对地基的压力，比较适用于软土地基，

但其构造和施工都比较复杂，并且用钢量较多。

为了减少桥长，降低造价，在墩台填土不高，河床不宽的情况下，可采用靠河较近，台身直立的桩基础薄壁墩台，墩台下面设置支撑梁，整个桥梁形成框架结构体系，并借助两端台后的被动土压力来保持稳定。实践证明，情况良好。薄壁轻型桥台常用的形式有扶壁式、撑墙式、及箱式等。

3、埋置式桥台

埋置式桥台是将台身埋在锥形护坡中，这样，桥台所受的土压力大为减小，桥台的体积也就得到相应减小。但由于台前护坡是用片石(或混凝土)作表面防护的一种永久性设施，存在着被洪水冲毁而使台身裸露的可能，因此在设计时必须进行强度和稳定性验算。

按台身的结构形式，埋置式桥台可以分为:肋形埋置式桥台、桩柱式埋置式桥台、和框架式桥台，如下：

肋形埋置式桥台的台身是由两块(或多块)后倾式的肋板与顶面帽梁连接而成。台高在10m及10m以上者须设置横向系梁。帽梁、系梁和耳墙均需配置钢筋.桩柱式埋置式桥台对于各种土坡地基都适宜。

根据桥宽和地基承载能力可以采用单排桩柱式、双排桩柱式及多排桩柱式的形式。柱子嵌固在普通扩大基础之上的称为立柱式，与钻孔桩相连的称为桩柱式，全由一排钢筋混凝土桩和桩顶盖(或帽)梁连接而成的称为柔性柱台。

框架式桥台比桩柱式桥台有更好的刚度，比肋形埋置式桥台挖空率更高，更节约污工体积。埋置式框架式桥台结构本身存在斜杆，能够产生水平分力用以平衡土压力，又因为其

基底较宽，又通过系梁联成一个框架体，稳定性较好，可用于路基填土高度在5m以上的桥台，并与跨径为16m和20m的梁式上部结构配合应用。但其不足之处在于必须用双排桩基，

在钢筋水泥用量方面比桩柱式桥台多。采用该类型式桥台，由于桥下溜坡伸入到桥孔，压缩了河道，为保证路基稳定性，不宜过多地压缩河宽，必要时需适当增加桥跨长度。

三、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及安全，为此在下部结构的设计过程中，一般进行下列计算:

1、盖梁内力计算

当荷载对称布置时，按照杠杆法进行计算。当荷载偏心布置时，按照偏心受压进行计算，两种布载情况的内力取大值控制设计。这种算法仅为两种布载状况下的内力计算，不是各截面最不利状况的内力计算，计算所得内力存在不安全的因素。

2、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(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桥向受力分配的不均匀。

3、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。

a.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。

b.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，促使路基失稳。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。

四、结束语

桥梁下部构造的前期设计非常重要，它的质量好坏与桥梁的施工顺利进行以及投付使用后桥梁的整体应用性能密切相关。因此必须按照规范标准，做好承台、桥台、台帽等桥梁的下部构造的细步设计，为接下来桥梁施工安装打下坚实的基础。

参考文献：

[1] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S]

[2]江祖铭.公路桥涵设计手册(墩台与基础)[S].北京:人民交通出版社,1997

[3]李晓峰《桥梁下部构件设计与计算》[M].《中小企业管理》,2004