橋臺(tái)設(shè)計(jì)及計(jì)算

汪荷玲

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院,廣東 廣州 510060）

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，市政橋梁修建越來(lái)越多，而橋臺(tái)作為橋梁的重要結(jié)構(gòu)之一，不僅要承受橋面上傳遞來(lái)的豎向荷載，還要承受臺(tái)背填土及填土上車輛荷載所產(chǎn)生的附加側(cè)壓力。橋臺(tái)受力復(fù)雜，影響因素眾多，既要作為受力結(jié)構(gòu)，又要充當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)，防止路堤填土的滑坡和坍落，是確保全線交通運(yùn)輸?shù)陌踩ＷC[1]。另外，近期橋臺(tái)病害頻出，如橋臺(tái)開(kāi)裂、橋頭沉降、橋臺(tái)前傾等也越來(lái)越多，因此在橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和受力條件，選擇合理類型的橋臺(tái)顯得尤為重要。

1　常用橋臺(tái)類型

梁橋的常用橋臺(tái)類型有重力式橋臺(tái)、埋置式橋臺(tái)、輕型橋臺(tái)、薄壁式橋臺(tái)等。目前市政工程中，薄壁式橋臺(tái)和埋置式橋臺(tái)用得較多。其中薄壁式橋臺(tái)包括常規(guī)的薄壁柱式橋臺(tái)、扶壁式橋臺(tái)、座板式橋臺(tái)等，分別如圖1～圖3所示。埋置式橋臺(tái)包括填土較高肋板式橋臺(tái)（見(jiàn)圖4）和一般高度的埋置式橋臺(tái)。現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹市政工程中常用的幾種橋臺(tái)及其適用條件。

圖1　薄壁柱式橋臺(tái)

圖2　扶壁式橋臺(tái)

1.1　薄壁式橋臺(tái)

薄壁式橋臺(tái)主要是利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎能力來(lái)減少圬工體積，從而使橋臺(tái)變得輕型化，可減少圬工體積40%～50%[2]，同時(shí)因?yàn)樽灾氐臏p輕而降低了對(duì)地基承載力的要求。常規(guī)的薄壁式橋臺(tái)受力合理，工程量少，對(duì)地基承載力要求不高，跨越能力較大，不受放坡限制，可充分利用橋下凈空減小跨徑，而且橋型美觀[3]。由于以上優(yōu)點(diǎn)，薄壁式橋臺(tái)在市政橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但其適用橋臺(tái)高度不高，一般適用于臺(tái)高不大于6 m的橋臺(tái)，多用于中小橋橋臺(tái)設(shè)計(jì)中。

圖3　座板式橋臺(tái)

圖4　肋板式橋臺(tái)

1.2　扶壁式橋臺(tái)

扶壁式橋臺(tái)結(jié)合傳統(tǒng)的輕型薄壁臺(tái)及肋板臺(tái)的特點(diǎn)[4]。胸墻相當(dāng)于薄壁臺(tái)的臺(tái)身，除了承受上部結(jié)構(gòu)荷載及臺(tái)后土壓力外，還能通過(guò)對(duì)臺(tái)后填土的阻擋來(lái)實(shí)現(xiàn)不侵占通行孔徑，節(jié)約空間和造價(jià)。而扶壁的設(shè)置可以增加胸墻的抗彎剛度，減小結(jié)構(gòu)的彎曲變形，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，使得扶壁臺(tái)適用高度較傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)有很大的提高。雙排樁基礎(chǔ)（群樁）則大大提高了橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗傾覆及抗推剛度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。扶壁式橋臺(tái)一般適用于橋臺(tái)高度為7～12 m的橋梁。由于扶壁式橋臺(tái)不侵占通行孔徑，故多用于市政橋梁中。

1.3　座板式橋臺(tái)

座板式橋臺(tái)是在薄壁式橋臺(tái)基礎(chǔ)上，去掉臺(tái)帽和臺(tái)身，支座直接放在承臺(tái)上。它是以抬高基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，避免反開(kāi)挖，用兩排灌注樁抵抗臺(tái)后土壓力，是針對(duì)軟土地區(qū)而設(shè)置的橋臺(tái)型式，能夠充分適應(yīng)軟弱土質(zhì)地區(qū)橋臺(tái)設(shè)計(jì)和施工要求，但存在局部回填壓實(shí)困難的缺陷，然而相對(duì)于反開(kāi)挖施工而言，還是有明顯的優(yōu)勢(shì)。故在軟土地區(qū)，由于淤泥較厚，樁頂位移往往較大，很難滿足規(guī)范要求（規(guī)范規(guī)定橋臺(tái)的樁基水平位移不大于6 mm[5]），通常采用座板式橋臺(tái)。

1.4　肋板式橋臺(tái)

肋板式橋臺(tái)是埋置式橋臺(tái)的一種，是把臺(tái)身的大部分埋入錐形護(hù)坡或者溜坡內(nèi)，其縮短了翼墻，僅由臺(tái)帽兩側(cè)耳墻和路堤銜接。其具有鋼筋及混凝土用量較少，沿道路軸線方向剛度大的優(yōu)點(diǎn)，所以經(jīng)常被用于高速公路跨線橋的橋臺(tái)。因?yàn)闃蚺_(tái)所承受的土壓力大為減少，所以橋臺(tái)體積也減少了許多。但是由于臺(tái)側(cè)溜坡延伸至橋孔內(nèi)部，壓縮了河道，有時(shí)候需要把橋臺(tái)的位置向后移從而增加了橋梁的長(zhǎng)度，增加了工程的投入[2]。

肋板式橋臺(tái)適用于橋臺(tái)高度較大（6 m以上），且橋頭為淺灘的河床或者橋臺(tái)處橋下凈空無(wú)要求、橋下用地?zé)o要求的橋梁。

2　工程實(shí)例

北溪大橋橫向分幅設(shè)計(jì)，左右幅橋橋跨布置均為[（2×30）+（36+4×60+36）+2×（3×30）]m，全長(zhǎng)552 m，橋?qū)挒?6.5 m，兩幅間有1 m寬鏤空帶；其中主橋上部結(jié)構(gòu)為掛籃懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，引橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁；下部結(jié)構(gòu)采用Y形板墩+大挑臂蓋梁、薄壁式橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

該橋Z1號(hào)軸橋臺(tái)高7.4 m，且右幅橋橋臺(tái)處有其他建筑物，無(wú)法放坡，故采用扶壁式橋臺(tái)（見(jiàn)圖5）。在Z5號(hào)軸處，地質(zhì)資料顯示有較深的淤泥，且有放坡條件，故采用座板式橋臺(tái)，緩解軟基地區(qū)樁基受力過(guò)大的不良情況。

3　扶壁式橋臺(tái)計(jì)算

結(jié)合北溪大橋Z1號(hào)軸橋臺(tái)設(shè)計(jì)來(lái)闡述扶壁式橋臺(tái)的計(jì)算內(nèi)容。

3.1　扶壁式橋臺(tái)荷載分析

3.1.1臺(tái)后土壓力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）第4.2.3條，按主動(dòng)土壓力計(jì)算。填土的重力19 kN/m3，內(nèi)摩擦角30°，主動(dòng)土壓力系數(shù)0.301。根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011），橫橋向布置3輛車。破壞棱體長(zhǎng)度4.831 m，等代土層厚0.513 m。臺(tái)后填土及汽車引起的側(cè)土壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5　北溪大橋Z1號(hào)軸橋臺(tái)（單位：mm）

表1　臺(tái)后填土及汽車引起的側(cè)土壓力

3.1.2荷載組合

將橋臺(tái)自重，臺(tái)后填土側(cè)壓力，上部結(jié)構(gòu)恒載、汽車、人群支反力，汽車引起的土側(cè)壓力、支座摩阻力7項(xiàng)荷載按不同分項(xiàng)系數(shù)組合得到每片扶壁計(jì)算截面處的內(nèi)力匯總，見(jiàn)表2。

表2　扶壁底面內(nèi)力匯總表

3.2　橋臺(tái)計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1扶壁截面驗(yàn)算

扶壁按錨固在承臺(tái)上的變截面T形截面懸臂梁計(jì)算，臺(tái)身為梁截面的翼緣板，扶壁為腹板。扶壁截面驗(yàn)算時(shí)取扶壁底面，根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）[6]中壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　扶壁底截面強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)頻遇組合考慮準(zhǔn)永久效應(yīng)計(jì)算得到扶壁裂縫寬度0.09 mm＜0.2 mm（規(guī)范要求），故扶壁臺(tái)截面滿足規(guī)范要求。

3.2.2順墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面驗(yàn)算（取單位寬度）

單位寬度的臺(tái)身水平板條，可按支撐于扶壁上的連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算[7]。

支點(diǎn)負(fù)彎矩組合設(shè)計(jì)值：

跨中正彎矩組合設(shè)計(jì)值：

式中：L0為相鄰扶壁間的凈距；σi計(jì)算點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的豎直壓應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　順墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面內(nèi)力

按照扶壁截面的驗(yàn)算方法分別驗(yàn)算順墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面承載力和裂縫寬度，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2.3垂直墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面驗(yàn)算（取單位寬度）

單位寬度的臺(tái)身豎直板條，沿墻高的分布如圖 6[7]所示。

圖6　立壁豎直向彎矩分布示意圖

式中：H1為臺(tái)身高度；bL為臺(tái)身豎向板條順墻長(zhǎng)方向的單位寬度。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　垂直墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面內(nèi)力

按照扶壁截面的驗(yàn)算方法分別驗(yàn)算豎直墻長(zhǎng)方向臺(tái)身截面承載力和裂縫寬度，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2.4承臺(tái)驗(yàn)算

承臺(tái)按照撐桿-系桿體系進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6　承臺(tái)正截面強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

表7　承臺(tái)斜截面抗剪驗(yàn)算結(jié)果

由表6和表7可知，承臺(tái)正截面強(qiáng)度最小安全系數(shù)為1.9，斜截面抗剪安全系數(shù)為2.8。故承臺(tái)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

3.2.5樁基驗(yàn)算

通過(guò)橋臺(tái)內(nèi)力計(jì)算得到承臺(tái)底面內(nèi)力，見(jiàn)表8。并采用方法計(jì)算得到樁基截面控制內(nèi)力，見(jiàn)表9。

表8　承臺(tái)底面內(nèi)力匯總

表9　樁基截面控制內(nèi)力

表10　樁基正截面抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告知，此橋臺(tái)處巖層較深，橋臺(tái)樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)。樁基按照規(guī)范要求采用圓形截面偏心受壓構(gòu)件。對(duì)樁基承載力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表10，計(jì)算裂縫寬度0.1 mm＜0.2 mm。故橋臺(tái)樁基設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，橋址環(huán)境千變?nèi)f化，只有在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)不斷探索、總結(jié)，才能選擇更加合理、經(jīng)濟(jì)的橋臺(tái)型式，進(jìn)而提高整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量與使用效果。

（2）扶壁式橋臺(tái)結(jié)合了傳統(tǒng)輕型薄壁臺(tái)與肋板臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，能很好地應(yīng)用于市政橋梁中特定情況下的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)中。

（3）通過(guò)北溪大橋橋臺(tái)設(shè)計(jì)，對(duì)扶壁式橋臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析，為同行設(shè)計(jì)者提供參考。