橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論述

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摘　要：橋梁下部結(jié)構(gòu)考慮是否得當(dāng)，對工程造價(jià)、質(zhì)量、工期及使用影響很大，本文就目前軟土地基橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要問題結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行討論：

　　①型式選用：②內(nèi)力計(jì)算；③結(jié)構(gòu)配筋；④施工中技術(shù)問題的處理；⑤前期規(guī)劃影響。

　　關(guān)鍵詞：橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　連云港市瀕臨黃海，表層為0.5～2.5m的粘性土硬殼層，其下為3～13m的淤泥、淤泥質(zhì)粘土層，下面為粘土、亞粘土層，再下為花崗石片麻巖。其中軟土淤泥層呈流塑狀態(tài)，含水量大，壓縮性大，透水性差，力學(xué)強(qiáng)度低等特點(diǎn)。軟土地基上墩臺型式的正確選用非常重要，本文僅針對我市軟基經(jīng)常選用的輕型墩臺進(jìn)行簡述：

　　1、橋梁下部結(jié)構(gòu)型式選用

　　1.1鋼筋混凝土薄壁墩臺當(dāng)填土不高，河床不寬時(shí)，為減少橋長、節(jié)省造價(jià)，不讓臺前錐坡壓縮河床，可采用靠河較近墩臺身直立的樁基薄壁墩臺，墩臺下面設(shè)支撐梁，整個(gè)橋梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并借助兩端臺后的被動(dòng)土壓力來保持穩(wěn)定。

　　1.2柔性排架式墩臺我市有部分多孔小跨徑老橋采用此型式，墩臺基樁多為預(yù)制打入。

　　1.3埋置式樁柱式橋臺該型式橋臺設(shè)于岸上臺身埋入錐形護(hù)坡中，有單排樁柱式與雙排樁框架式兩種。采用該型式橋臺，為保證路基穩(wěn)定性，不能過多地壓縮橋長，不少工程對此有深刻的教訓(xùn)。

　　1.4柱式橋墩該型式橋墩適應(yīng)性廣、施工方便，為軟基中最好的選擇型式。

　　分為①帶蓋梁單排樁柱式橋墩，一般用于簡支梁橋；

　　②不帶蓋梁獨(dú)柱式橋墩或排柱式橋墩，用于連續(xù)現(xiàn)澆箱梁。

　　1.5選用墩臺應(yīng)注意以下兩點(diǎn)

　　1.5.1為減少軟基位移對結(jié)構(gòu)的影響，盡可能減少超靜定個(gè)數(shù)，適當(dāng)加大樁距，減少樁根數(shù)。以上處理還降低工程造價(jià)。

　　1.5.2當(dāng)樁底接近基巖表面時(shí)，承載力接近設(shè)計(jì)要求，就沒有必要再伸入基巖以求更加保險(xiǎn)；若承載力不夠時(shí)，可把樁徑加大再算，盡可能用摩擦樁代替嵌巖柱樁。筆者在連云港市翻水河橋設(shè)計(jì)中就這樣處理過，當(dāng)用1.2m樁徑時(shí)，樁需嵌入基巖1.5m，改用1.5m樁徑時(shí)，位于基巖表面即可滿足承載要求，卻大大降低了施工難度。

　　2、下部結(jié)構(gòu)

　　內(nèi)力計(jì)算為減少軟土地基位移對超靜定結(jié)構(gòu)的影響，上部工程多采用標(biāo)準(zhǔn)梁的先簡支后連續(xù)構(gòu)造，這樣整個(gè)工程的計(jì)算工作主要集中于下部結(jié)構(gòu)，故下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法的選用是否正確，考慮因素是否全面，直接關(guān)系到工程的安危，為此作以下幾點(diǎn)分析：

　　2.1蓋梁內(nèi)力計(jì)算《墩臺設(shè)計(jì)手冊》中算例對墩臺內(nèi)力按下列方式計(jì)算：當(dāng)荷載對稱布置時(shí)，按杠桿法計(jì)算，當(dāng)荷載偏心布置，按偏心壓力法計(jì)算，兩種布載狀況的內(nèi)力取大值控制設(shè)計(jì)。這種算法沒有真正體會規(guī)范用意，僅為兩種布載狀況下的內(nèi)力計(jì)算，不是各截面最不利狀態(tài)的內(nèi)力計(jì)算，所算內(nèi)力存在著不安全因素。正確做法?應(yīng)該先畫出各截面內(nèi)力影響線，再對應(yīng)影響線用杠桿法及偏心法進(jìn)行最不利橫向布載，求出各截面內(nèi)力最大、最小值，然后根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。近幾年，有的設(shè)計(jì)單位作如下簡化計(jì)算也可行，對多支座的板、箱梁橋的墩臺帽計(jì)算，按活載直接作用于由墩臺簡化成的連續(xù)梁上進(jìn)行計(jì)算，不考慮活載及二期恒載的橫向分布作用。

　　2.2橋墩內(nèi)力計(jì)算墩樁頂?shù)淖畲筘Q向力計(jì)算同上；墩樁頂水平力計(jì)算，運(yùn)用柔性墩理論中的集成剛度法，將橋面汽車制動(dòng)力及梁體混凝土收縮、徐變、溫差、地震產(chǎn)生的水平力在全聯(lián)墩臺進(jìn)行分配；最后根據(jù)不同組合的墩樁頂水平力、彎距及對應(yīng)樁頂豎向力進(jìn)行樁基各截面內(nèi)力計(jì)算。

　　2.3橋臺內(nèi)力計(jì)算除了橋墩內(nèi)力計(jì)算項(xiàng)目外，橋臺豎向荷載還要增加土壓力、負(fù)摩阻力、搭板自重等項(xiàng)；水平荷載要增加土壓力，其影響復(fù)雜，需注意以下幾點(diǎn)：

　?。?）鋼筋混凝土薄壁臺土壓力計(jì)算軟土地基上帶基樁的薄壁臺土壓力計(jì)算要按深層考慮。

　?。?）埋置式橋臺土壓力計(jì)算土壓力一般是以填土前原地面或沖刷線起算的，對較差土質(zhì)，需根據(jù)實(shí)際土質(zhì)驗(yàn)算，確定是否考慮地面以下臺后深層土對樁水平壓力的影響。

　　臺后一定要選用透水、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的材料，否則，滲水后摩擦角及粘結(jié)力下降，自重增加，臺實(shí)際受土壓力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，使橋臺失穩(wěn)。

　?。?）地震土壓力計(jì)算地震土壓力隨著橋梁等級的提高而加大；計(jì)算時(shí)不考慮活載作用；連云港市地震烈度為7，地震組合力對橋臺影響不如對橋墩的影響大。

　　（4）搭板對土壓力影響設(shè)搭板橋臺還應(yīng)考慮搭板作用后活載土壓力改變對橋臺有利的影響。

　　（5）橋頭路基沉降、滑動(dòng)驗(yàn)算

　　第一，路基沉降過大：橋頭跳車，臺背和梁端過早損壞；加大豎向土壓力及負(fù)摩阻力，橋臺蓋梁開裂及樁基不均勻下沉；路面開裂及路基滲水促使路基失穩(wěn)。

　　第二，路基滑動(dòng)：導(dǎo)致橋臺嚴(yán)重破壞，此時(shí)橋臺所承受水平土壓力已遠(yuǎn)大于正常計(jì)算，對于橋頭路基加寬、加高或處于改河、填溝段或路基外不遠(yuǎn)有溝、河的，更要注意深層滑動(dòng)驗(yàn)算。上述兩項(xiàng)如不滿足要求，須采用切實(shí)可靠措施進(jìn)行處理，尤以粉噴樁處理橋頭軟基效果為佳。

　　3、下部結(jié)構(gòu)配筋

　　下部結(jié)構(gòu)配筋首先涉及配筋方法的選用問題，故在該項(xiàng)中對配筋方法、蓋梁配筋、樁筋及樁長設(shè)計(jì)、橋臺配筋等注意事項(xiàng)分別進(jìn)行討論：

　　3.1極限法及容許應(yīng)力法應(yīng)用分析由于現(xiàn)行橋規(guī)將鋼筋混凝土橋原容許應(yīng)力法的彈性狀態(tài)設(shè)計(jì)改按承載極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，大家對容許應(yīng)力法有淡漠趨勢。事實(shí)上，極限法是在等截面簡支梁試驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得的，其適用范圍有限，有些方面還必須用容許應(yīng)力法，設(shè)計(jì)者需注意根據(jù)實(shí)際情況合理選用。

　　3.2蓋梁配筋注意事項(xiàng)

　　（1）等截面連續(xù)梁可以用極限法，但不能完全套用，負(fù)彎矩處需留有富余。

　?。?）變截面連續(xù)蓋梁只能使用容許應(yīng)力法。

　?。?）蓋梁的抗彎配筋，兩種方法均不控制設(shè)計(jì)，主要由裂縫寬度控制。

　?。?）抗剪設(shè)計(jì)，兩種方法都對混凝土與箍筋承擔(dān)剪力比例作了明確規(guī)定。這樣梁體往往需要設(shè)置大量斜剪力筋?給梁內(nèi)布筋帶來困難，配筋時(shí)可以通過多設(shè)箍筋，讓混凝土與箍筋承擔(dān)更多的比例，使配筋自由度大一點(diǎn)。

　?。?）蓋梁配筋要注意“強(qiáng)剪弱彎”，大部分梁體破壞是由剪力不足造成的，對抗彎筋滿足要求即可，而抗剪筋一般留有富余。

　?。?）施工階段應(yīng)力計(jì)算多用容許應(yīng)力法。

　　3.3樁筋及樁長設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　?。?）樁筋設(shè)計(jì)目前均采用極限法進(jìn)行樁體抗彎筋設(shè)計(jì)，這在規(guī)范中已有詳細(xì)公式。對樁體抗裂還沒有明確要求，目前說法不一，有待進(jìn)一步研討。

　　對于基樁各截面的配筋，從理論上講，應(yīng)根據(jù)樁內(nèi)彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行計(jì)算布置。通常是根據(jù)最大彎矩處進(jìn)行配筋，從樁頂一直伸到最大彎矩一半處下一定錨固長位置，減少一半配筋再一直伸至彎矩為零下一定錨固長位置，再下為素混凝土段，對于軟基，樁主筋最好穿過軟土層。連云港市橋梁工程，江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院采用的即為這種方式，而交通部第一勘察設(shè)計(jì)院將基樁主筋一半部分一直伸到樁底。具體哪種配筋更合理，對于摩擦灌注樁，無論從樁體受力來看，還是從節(jié)省工程費(fèi)用及降低施工難度來看，筆者認(rèn)為前一種更合理：

　?、俟?jié)省大量鋼筋；

　?、阡摻罨\少，受樁長的變更而變更；

　　③減少底部斷樁處理的難度，減少扁擔(dān)樁發(fā)生機(jī)率。澆樁時(shí)，開始幾米發(fā)生卡管等事故機(jī)率高，而采用第一種方式配筋，底部斷樁后，鋼筋籠拔出后，可原孔再鉆，新沂河特大橋由省院設(shè)計(jì)，施工中就有4根素混凝土段斷樁是通過重新掃孔澆筑成功的，而新沂河橋以北路段由部勘察一院設(shè)計(jì)，有兩根樁出現(xiàn)類似情況，因鋼筋籠一通到底，只能采用扁擔(dān)樁處理。

　　（2）樁長設(shè)計(jì)樁長計(jì)算不同于樁基配筋，仍采用容許應(yīng)力法，最大豎向力應(yīng)按容許應(yīng)力法要求計(jì)算，不需考慮極限荷載組合系數(shù)。3.4　橋臺配筋注意事項(xiàng)在連云港市老橋橋臺破壞最多，主要表現(xiàn)在樁基、臺身、臺帽、背墻、耳墻等開裂，尤以根部裂縫為多，以該市魏跳橋最為典型，該橋布設(shè)三孔（20m＋30m＋20m），處于軟土地質(zhì)中，西幅采用框架式橋臺，東幅采用帶基樁U型臺，橋頭填土5m高，又處于改河、臨河段，當(dāng)時(shí)限于經(jīng)費(fèi)，存在壓縮橋孔現(xiàn)象，橋臺前移使墩、臺縫全部頂死，背墻、耳墻、臺帽、臺身出現(xiàn)較大裂縫，橋頭路基出現(xiàn)很大范圍的不均勻沉降及滑動(dòng)裂縫，后對該橋整治加固。以往橋臺破壞多歸結(jié)為超載，事實(shí)上也與設(shè)計(jì)時(shí)忽略某些因素有關(guān)：（1）要求蓋梁完工后與混凝土底模分開，以免增加自重。

　?。?）臺后順橋向水平土壓力對蓋梁的水平彎矩是造成蓋梁跨中附近側(cè)面豎向裂縫的主要原因，而側(cè)水平土壓力易造成耳墻根部彎裂。

　　（3）橋臺前移使有縫橋變成無縫橋，大梁就會對橋臺背墻產(chǎn)生巨大推力去平衡臺后的土壓力，兩個(gè)力作用的結(jié)果導(dǎo)致：

　?、俦硥母考袅?；②蓋梁挑出部分從支撐根部斜下彎裂；③臺身與蓋梁、樁基與臺身連接處彎裂。

　　（4）橋臺在土壓力、恒載、活載、梁反推力作用下將有很大的扭矩，使蓋梁發(fā)生扭剪破壞。

　?。?）橋頭路基下沉致使背墻、梁端受活載沖擊力而過早破壞。

　　因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加橋臺強(qiáng)蓋梁抗剪、扭的箍、斜筋，并在蓋梁前側(cè)表面布置部分抗平彎鋼筋；加大背墻、耳墻尺寸及配筋；加大臺身尺寸及配筋；加大樁基根部配筋。

　　4、施工中下部結(jié)構(gòu)技術(shù)問題的處理

　　施工和設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，＂怎么設(shè)計(jì)，就怎么施工“，反過來對設(shè)計(jì)者而言，應(yīng)該”怎么施工，就怎么設(shè)計(jì)“，設(shè)計(jì)者應(yīng)保證設(shè)計(jì)方案的合理性、可實(shí)施性，對其提供的施工方案安全性應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，有些施工方案的工藝、工序在設(shè)計(jì)文件中必須明確，否則對質(zhì)量、安全有不良影響。施工中出現(xiàn)的問題也要通過設(shè)計(jì)來解決，以下針對施工中常遇到的幾個(gè)大問題進(jìn)行分析，并從設(shè)計(jì)上提出解決問題的方法及其預(yù)防措施。

　　4.1樁長變更地質(zhì)鉆探資料僅反映局部地質(zhì)情況，加之鉆探描述與實(shí)際樁孔地質(zhì)有所出入。因此，樁底碰到巖面難以鉆進(jìn)，地質(zhì)較好時(shí)，應(yīng)允許對樁長進(jìn)行變更，但必須要求設(shè)計(jì)人員、監(jiān)理人員根據(jù)巖層實(shí)際強(qiáng)度，設(shè)計(jì)者既不能輕易變更樁長，又要避免過于保守，在滿足承載力情況下進(jìn)行樁長調(diào)整。

　　4.2沉淀層厚度指標(biāo)選用分析

　　①不要對沉淀層要求的太小，施工中難以控制。

　　②清底系數(shù)mo值對樁長影響較大，以0.3d～0.4d為宜，個(gè)別樁底沉淀層厚度超標(biāo)的，澆筑前可用反循環(huán)清孔法進(jìn)行清孔。

　　4.3斷樁處理樁底設(shè)素混凝土段對底層斷樁處理有很大幫助，對于上層斷樁，可用挖孔接樁法處理，對于中層斷樁，有的樁不允許澆筑失敗，應(yīng)重點(diǎn)控制。

　　4.4橫系梁、承臺功用討論橫系梁的主要功能是為了聯(lián)結(jié)墩柱時(shí)調(diào)偏，同時(shí)增大樁的橫向整體性，橋墩不高時(shí)，可以取消；較高時(shí)，也可將系梁提到施工水位以上，減少圍堰費(fèi)用和困難。承臺的主要作用是聯(lián)結(jié)群樁，有些群樁承臺結(jié)構(gòu)可考慮用大直徑的獨(dú)樁結(jié)構(gòu)代替，以降低工程造價(jià)。

　　連云港市人民橋，斜系梁設(shè)于河床下，施工難度大，提高又嚴(yán)重阻水，取消；大浦河橋、翻水河橋考慮系梁施工困難，不設(shè)，僅稍加大樁徑；鹽河大橋及新沭河特大橋均將系梁提高到水面以上實(shí)施；寧連路上鹽河大橋?qū)⒃蚣苁綐蚺_簡化為無橫系梁、無臺身的短凳框架式橋臺，因減少了土壓力作用面，橋臺更安全可靠。

　　5、前期科學(xué)規(guī)劃、合理方案對建橋的影響

　　橋梁前期方案設(shè)計(jì)，對節(jié)省工程費(fèi)用，保證工程質(zhì)量很重要。德國工程建設(shè)資金充足，方案卻往往要做好幾年，反復(fù)比較以求最佳，而實(shí)施時(shí)間很短，這一點(diǎn)很值得我們學(xué)習(xí)，主管部門應(yīng)給設(shè)計(jì)單位一個(gè)合理的設(shè)計(jì)周期。但很多時(shí)候，大家趕急，前期工作不細(xì)，方案沒有深度，等施工圖搞好了，再重新完善方案，結(jié)果整個(gè)設(shè)計(jì)又從頭開始，設(shè)計(jì)效率較低；若方案做得全面細(xì)致，科學(xué)合理，可以影響主管部門采納而較少變動(dòng)。

　　5.1做好總體規(guī)劃，初步正確框定下部結(jié)構(gòu)的位置及型式我所在1998年海連西路薔薇河大橋設(shè)計(jì)中，對老橋調(diào)查發(fā)現(xiàn)：東橋臺因侵入河床太多而失穩(wěn)變更，中間通航孔因放樣偏差使東蓋梁變更加寬。因此，在方案中：新建幅增加一孔，以避免橋頭路基失穩(wěn)；通航孔東鄰孔作加長處理，使新老幅橋墩一齊，以滿足水利及航道要求；墩系梁均設(shè)于水面以上，橋臺采用無橫系梁、無臺身、少開挖的短凳框架式橋臺，以減少施工難度；橋頭用粉噴樁處理軟基沉降；并對老橋作相應(yīng)的改造。由于總體考慮全面，方案各方滿意，設(shè)計(jì)一次成功。

　　5.2做好橋?qū)捯?guī)劃，提高下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量及設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)效率規(guī)劃部門希望橋?qū)捯徊降轿?，而主管部門因資金所限不能一步實(shí)施到位。我所在1999年三八河橋設(shè)計(jì)中，橋?qū)捯?guī)劃就處理很好，該橋近期15m寬，遠(yuǎn)期25m寬，按25m寬一步規(guī)劃到位，中間15m寬近期實(shí)施。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對25m寬4柱式墩臺及15m寬2柱式墩臺分別計(jì)算，對應(yīng)截面按大值控制設(shè)計(jì)，并為后期蓋梁連接預(yù)留鋼筋，近、遠(yuǎn)期兼顧。

　　5.3勘測是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的前提和基礎(chǔ)現(xiàn)場地形、地質(zhì)影響下部結(jié)構(gòu)型式的選擇及方案的合理性、可行性，對下部工程設(shè)計(jì)質(zhì)量至關(guān)重要，如果前期調(diào)查不細(xì)，就會給工程實(shí)施造成設(shè)計(jì)變更、工期延長、費(fèi)用增加等問題。

　　我所1996年設(shè)計(jì)的寧海立交2號橋位于連徐高速路、寧連公路、204國道三條高等級道路交叉位置，設(shè)計(jì)初期對現(xiàn)場總體測量發(fā)現(xiàn)徐連路與寧連路坐標(biāo)系、高程系誤差均較大，一個(gè)多月才解決好；設(shè)計(jì)過程中，對下部結(jié)構(gòu)坐標(biāo)、高程重點(diǎn)把關(guān)，反復(fù)校核；開工后，又和施工單位多次復(fù)測調(diào)整。在工程地質(zhì)方面，把我所鉆探資料、鉆樁資料及勘一院對該橋鉆探資料反復(fù)比較分析，對其土層分布范圍及巖性了解較透，與某院設(shè)計(jì)的寧海1號橋相比，每根樁深入巖石層長度要短5～6m，僅此就節(jié)省近百萬元費(fèi)用。

　　總之，設(shè)計(jì)者要善于結(jié)合工程實(shí)際分析問題、解決問題，并堅(jiān)持在工程設(shè)計(jì)中推陳出新，以不斷提高下部工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量及其使用效果。