橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計論述

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘　要：橋梁下部結(jié)構(gòu)考慮是否得當(dāng)，對工程造價、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)計中的幾個主要問題結(jié)合工程實例進(jìn)行討論：

　　①型式選用：②內(nèi)力計算；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

　　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。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，為減少橋長、節(jié)省造價，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，整個橋梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并借助兩端臺后的被動土壓力來保持穩(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；

　?、诓粠w梁獨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

　　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。

　　1.5.2當(dāng)樁底接近基巖表面時，承載力接近設(shè)計要求，就沒有必要再伸入基巖以求更加保險；若承載力不夠時，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)計中就這樣處理過，當(dāng)用1.2m樁徑時，樁需嵌入基巖1.5m，改用1.5m樁徑時，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，這樣整個工程的計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，為此作以下幾點分析：

　　2.1蓋梁內(nèi)力計算《墩臺設(shè)計手冊》中算例對墩臺內(nèi)力按下列方式計算：當(dāng)荷載對稱布置時，按杠桿法計算，當(dāng)荷載偏心布置，按偏心壓力法計算，兩種布載狀況的內(nèi)力取大值控制設(shè)計。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)力計算，不是各截面最不利狀態(tài)的內(nèi)力計算，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)計單位作如下簡化計算也可行，對多支座的板、箱梁橋的墩臺帽計算，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)力計算墩樁頂?shù)淖畲筘Q向力計算同上；墩樁頂水平力計算，運用柔性墩理論中的集成剛度法，將橋面汽車制動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)力計算。

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

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

　?。?）埋置式橋臺土壓力計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)實際土質(zhì)驗算，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，臺實際受土壓力遠(yuǎn)大于設(shè)計值，使橋臺失穩(wěn)。

　?。?）地震土壓力計算地震土壓力隨著橋梁等級的提高而加大；計算時不考慮活載作用；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。

　?。?）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。

　?。?）橋頭路基沉降、滑動驗算

　　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：導(dǎo)致橋臺嚴(yán)重破壞，此時橋臺所承受水平土壓力已遠(yuǎn)大于正常計算，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，更要注意深層滑動驗算。上述兩項如不滿足要求，須采用切實可靠措施進(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，故在該項中對配筋方法、蓋梁配筋、樁筋及樁長設(shè)計、橋臺配筋等注意事項分別進(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)計改按承載極限狀態(tài)設(shè)計，大家對容許應(yīng)力法有淡漠趨勢。事實上，極限法是在等截面簡支梁試驗基礎(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)計者需注意根據(jù)實際情況合理選用。

　　3.2蓋梁配筋注意事項

　?。?）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，主要由裂縫寬度控制。

　　（4）抗剪設(shè)計，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。

　?。?）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)力計算多用容許應(yīng)力法。

　　3.3樁筋及樁長設(shè)計注意事項

　?。?）樁筋設(shè)計目前均采用極限法進(jìn)行樁體抗彎筋設(shè)計，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)計院采用的即為這種方式，而交通部第一勘察設(shè)計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)省工程費用及降低施工難度來看，筆者認(rèn)為前一種更合理：

　　①節(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，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，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，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。

　?。?）樁長設(shè)計樁長計算不同于樁基配筋，仍采用容許應(yīng)力法，最大豎向力應(yīng)按容許應(yīng)力法要求計算，不需考慮極限荷載組合系數(shù)。3.4　橋臺配筋注意事項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)時限于經(jīng)費，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，事實上也與設(shè)計時忽略某些因素有關(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。

　?。?）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，兩個力作用的結(jié)果導(dǎo)致：

　?、俦硥母考袅眩虎谏w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。

　?。?）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)計是相互關(guān)聯(lián)的，＂怎么設(shè)計，就怎么施工“，反過來對設(shè)計者而言，應(yīng)該”怎么施工，就怎么設(shè)計“，設(shè)計者應(yīng)保證設(shè)計方案的合理性、可實施性，對其提供的施工方案安全性應(yīng)進(jìn)行驗算，有些施工方案的工藝、工序在設(shè)計文件中必須明確，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)計來解決，以下針對施工中常遇到的幾個大問題進(jìn)行分析，并從設(shè)計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，應(yīng)允許對樁長進(jìn)行變更，但必須要求設(shè)計人員、監(jiān)理人員根據(jù)巖層實際強(qiáng)度，設(shè)計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

　?、俨灰獙Τ恋韺右蟮奶?，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)墩柱時調(diào)偏，同時增大樁的橫向整體性，橋墩不高時，可以取消；較高時，也可將系梁提到施工水位以上，減少圍堰費用和困難。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樁結(jié)構(gòu)代替，以降低工程造價。

　　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，對節(jié)省工程費用，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，而實施時間很短，這一點很值得我們學(xué)習(xí)，主管部門應(yīng)給設(shè)計單位一個合理的設(shè)計周期。但很多時候，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)果整個設(shè)計又從頭開始，設(shè)計效率較低；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。

　　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)計質(zhì)量及設(shè)計單位的設(shè)計效率規(guī)劃部門希望橋?qū)捯徊降轿唬鞴懿块T因資金所限不能一步實施到位。我所在1999年三八河橋設(shè)計中，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寬近期實施。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計中對25m寬4柱式墩臺及15m寬2柱式墩臺分別計算，對應(yīng)截面按大值控制設(shè)計，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)計質(zhì)量至關(guān)重要，如果前期調(diào)查不細(xì)，就會給工程實施造成設(shè)計變更、工期延長、費用增加等問題。

　　我所1996年設(shè)計的寧海立交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，一個多月才解決好；設(shè)計過程中，對下部結(jié)構(gòu)坐標(biāo)、高程重點把關(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)省近百萬元費用。

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