橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探微

曾憲義

摘要：橋梁是交通工程的重要樞紐，橋梁工程設(shè)計(jì)關(guān)系到橋梁工程建設(shè)質(zhì)量，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。本文主要分析在地震災(zāi)害對(duì)兩種橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用，通過(guò)對(duì)比分析確定科學(xué)的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為提升橋梁工程建設(shè)質(zhì)量提供參考。

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

地震災(zāi)害不僅會(huì)直接破壞橋梁結(jié)構(gòu)本身，同時(shí)意味著通往災(zāi)區(qū)的生命線也將中斷，最終造成極為嚴(yán)重的后果[1]。所以，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)其抗震性能。目前我國(guó)已經(jīng)制定了相關(guān)的準(zhǔn)則[2]。尤其需要注意的是，在地震作用下橋梁基礎(chǔ)即便是出現(xiàn)了損傷也是比較難發(fā)現(xiàn)的，同時(shí)也很難對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。因此，為了確保橋梁的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)橋梁的時(shí)候必須要滿足抗震性的要求，但是這會(huì)使得橋梁建設(shè)中基礎(chǔ)部分的成本大幅增加[3]。但是在具體操作中，還是存在部分設(shè)計(jì)人員根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)實(shí)施設(shè)計(jì)，引起不必要的浪費(fèi)。

一、地震載荷作用

本文選取了兩種不同類型的梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的墩高分別是一聯(lián)為4×30m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)PC小箱梁，另外一聯(lián)為17.5+21++21+17.5m RC現(xiàn)澆連續(xù)梁，希望能夠確定2種橋梁下部結(jié)構(gòu)其受力規(guī)律。

（一）4×30m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)PC小箱梁

該對(duì)象其單幅橋?qū)挒?7m，單向有4個(gè)車道。根據(jù)文件常規(guī)橋梁通常為B、C類橋梁。針對(duì)某一特定橋梁而言，如果已經(jīng)確定了抗震重要性系數(shù)之后，會(huì)對(duì)地震力大小造成影響的主要因素就是場(chǎng)地系數(shù)和地震烈度。現(xiàn)在針對(duì)地震Ⅶ度區(qū)，根據(jù)Ⅱ類場(chǎng)地以及Ⅲ類場(chǎng)地分別實(shí)施計(jì)算。其中橋梁抗震重要性系數(shù)依據(jù)高速公路橋梁來(lái)進(jìn)行選擇：E1級(jí)和E2級(jí)分別為0.5和1.7；地基土m值選擇5000。

（二）17.5+21++21+17.5m RC現(xiàn)澆連續(xù)梁

該對(duì)象橋?qū)挒?0m，單向有2個(gè)車道；地震烈度以及場(chǎng)地類別分別為Ⅶ度和Ⅲ類，其中橋梁抗震重要性系數(shù)依據(jù)高速公路橋梁來(lái)進(jìn)行選擇：E1級(jí)和E2級(jí)分別為0.5和1.7。

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可以知道，對(duì)于采用板式橡膠支座的PC小箱梁橋而言，其在Ⅱ類場(chǎng)地的時(shí)候，E1地震力和正常使用情況相比較而言常規(guī)荷載小；而在Ⅲ類場(chǎng)地的時(shí)候，E1地震力與常規(guī)荷載相對(duì)較為接近；在某墩高范圍以內(nèi)，墩底彎矩隨墩高增加而逐漸增大。對(duì)于RC現(xiàn)澆連續(xù)梁而言，在E1、E2地震力以及常規(guī)荷載條件下其制動(dòng)墩墩底彎矩表現(xiàn)出不同的規(guī)律。在E2地震力作用的時(shí)候制動(dòng)墩不但承受水平力，另外墩底彎矩隨墩高增加是先增大后減?。欢贓1地震力的時(shí)候，隨著墩高的不斷增加，在某一墩高范圍內(nèi)墩底彎矩和E2地震力作用下規(guī)律類似，一旦墩高超過(guò)某一高度之后，地震水平力降低至不能克服活動(dòng)盆式支座的摩阻力，使得制動(dòng)墩以及非制動(dòng)墩同時(shí)受力，制動(dòng)墩墩底彎矩降低到最小值，隨著墩高的持續(xù)增加，墩頂?shù)卣鹚搅Σ粩嘟档停盏讖澗赜凶兇蟮内厔?shì)；而在常規(guī)荷載作用的時(shí)候，隨墩高的增加，墩底彎矩線性增加。

不管是在Ⅱ類場(chǎng)地還是在Ⅲ類場(chǎng)地的時(shí)候，在E2地震作用下，PC小箱梁以及RC現(xiàn)澆連續(xù)梁其墩底彎矩都比E1地震作用和常規(guī)荷載要大很多。此外，從上面的計(jì)算結(jié)果能夠知道，墩高不同，對(duì)應(yīng)的橋墩設(shè)計(jì)荷載也不一樣，所以應(yīng)該根據(jù)墩高對(duì)橋墩實(shí)施分類設(shè)計(jì)，以此來(lái)減少工程造價(jià)。

二、抗震思想下橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)要求，樁基礎(chǔ)應(yīng)該根據(jù)能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確?；A(chǔ)在達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度以前，墩柱進(jìn)入塑性。橋梁基礎(chǔ)沿順橋向、橫橋向的彎矩，軸力、剪力設(shè)計(jì)值都應(yīng)該按照柱底可能出現(xiàn)塑性鉸處的剪力設(shè)計(jì)值、彎矩承載能力以及相應(yīng)的軸力來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

橋墩的縱向配筋必須要達(dá)到常規(guī)荷載作用下的強(qiáng)度以及抗裂要求，還需要達(dá)到E1地震荷載作用下的強(qiáng)度要求。橋墩的截面抗彎承載力直接由橋墩縱向配筋量來(lái)決定，進(jìn)而影響橋墩在E2地震作用下是否可以進(jìn)入塑性，最后決定橋梁基礎(chǔ)其設(shè)計(jì)荷載。毫無(wú)疑問(wèn)橋墩縱向鋼筋越多則基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載就會(huì)越大。所以橋墩縱向鋼筋配置不應(yīng)該太多，只需要達(dá)到E1地震荷載作用以及常規(guī)荷載作用就可以了。就當(dāng)前的情況而言，針對(duì)地震Ⅶ度區(qū)的PC小箱梁而言，在墩柱尺寸合理的情況下橋墩主筋截面配筋率通常為1%，而對(duì)于樁柱式橋墩樁基而言其主筋截面配筋率通常為1.3～1.5%。如果現(xiàn)澆箱梁制動(dòng)墩采取樁柱式橋墩，那么樁基主筋截面配筋率需要超過(guò)2%，基礎(chǔ)部分造價(jià)相對(duì)很高，宜實(shí)施抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三、抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）4×30m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)PC小箱梁其下部結(jié)構(gòu)方案的比較和選擇

本文主要針對(duì)墩高13m的情形，選擇不同類型的基礎(chǔ)方案實(shí)施經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，以期能夠獲得一條該橋型基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

4×30m簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)PC小箱梁的橋?qū)挒?7m，采取的是兩根直徑為1.6m的墩柱，兩根柱之間的距離為9m，其中樁基按照摩擦樁進(jìn)行考慮。3種基礎(chǔ)形式分別如下（其中墩柱尺寸不變）：

基礎(chǔ)方案1：樁柱式橋墩，在每個(gè)橋墩下面接一根直徑為1.8m的鉆孔灌注樁，且在樁頂設(shè)置系梁。

基礎(chǔ)方案2：在每個(gè)橋梁墩柱下面接上2根直徑為1.2m的鉆孔灌注樁；也就是說(shuō)一個(gè)橋墩總共有4根直徑為1.2m的鉆孔灌注樁，且在樁頂設(shè)置啞鈴型承臺(tái)。

基礎(chǔ)方案3：在每個(gè)橋墩下面接上5根直徑為0.6m的打入樁，也就是說(shuō)一個(gè)橋墩總共有10根直徑為0.6m的PHC預(yù)制管樁。

在地震Ⅶ度區(qū)，Ⅲ類場(chǎng)地的情形下，取13m墩高對(duì)墩柱實(shí)施配筋設(shè)計(jì)，對(duì)于每根直徑為1.6m的墩柱都配置40根直徑為25mm的HRB335型號(hào)鋼筋。依照能力保護(hù)構(gòu)件實(shí)施基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)，其中基礎(chǔ)方案1、2、3的設(shè)計(jì)結(jié)果分別如下：

基礎(chǔ)方案1：2根直徑為1.8m的鉆孔灌注樁，每根樁基主筋需要配置40根直徑為32mm的鋼筋，主筋截面的配筋率約為1.3%；

基礎(chǔ)方案2：4根直徑為1.2mm的鉆孔灌注樁，每根樁基主筋需要配置24根直徑為22mm的鋼筋，主筋截面的配筋率約為0.8%；

基礎(chǔ)方案3：10根AB型直徑為0.6m的PHC預(yù)制管樁。

（二）17.5+21++21+17.5m RC現(xiàn)澆連續(xù)梁其下部結(jié)構(gòu)方案的比較和選擇

在設(shè)計(jì)制動(dòng)墩以及非制動(dòng)墩的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。一般而言，連續(xù)梁的下部結(jié)構(gòu)都是由一個(gè)制動(dòng)墩加上幾個(gè)非制動(dòng)墩構(gòu)成。大部分地震荷載由制動(dòng)墩承擔(dān)，而非制動(dòng)墩承擔(dān)的地震荷載非常小，約等同于動(dòng)摩擦力大小。制動(dòng)墩在常規(guī)荷載作用下還是會(huì)分擔(dān)絕大部分的水平力。但是在實(shí)際操作中，很多設(shè)計(jì)人員都是將制動(dòng)墩和非制動(dòng)墩同等對(duì)待，按照同等強(qiáng)度實(shí)施設(shè)計(jì)，引起不必要的浪費(fèi)。因此，針對(duì)制動(dòng)墩和非制動(dòng)墩進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)是非常有必要的。另外，建議采取適當(dāng)?shù)闹ё沟枚喽胀瑫r(shí)承受水平力。

對(duì)于橋墩柔度較大的連續(xù)梁而言可以采取板式橡膠支座或者是LRB板式橡膠支座，確保連續(xù)梁的水平地震荷載以及常規(guī)水平荷載能夠平均的分配到各個(gè)橋墩中，避免制動(dòng)墩承擔(dān)全部的載荷。如果將水平荷載平均分配到各個(gè)橋墩中，那么各墩所承受的水平荷載將會(huì)比原制動(dòng)墩所承受的水平荷載小很多。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，使用LRB支座之后，橋墩的設(shè)計(jì)荷載和原制動(dòng)墩的設(shè)計(jì)荷載相比較降低了將近50%。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)常規(guī)中、小跨徑現(xiàn)澆連續(xù)梁橋而言，使用板式橡膠支座或者LRB橡膠支座能夠把水平荷載平均的分配到各個(gè)橋墩中來(lái)，對(duì)原有的載荷模式進(jìn)行了改變，在符合抗震以及使用要求的條件下，降低工程造價(jià)。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，筆者針對(duì)抗震情況下市政橋梁下部結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)中都要求其具備較高的抗震性能，隨著相關(guān)文件的頒布，對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)抗震性要求越來(lái)越高，因此，做好現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)抗震性能需要不斷的進(jìn)行努力。

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