桥梁下部结构设计论述.docx

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桥梁下部结构设计论述

摘　要

桥梁下部结构考虑是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大，本文就目前软土地基桥梁下部结构设计中的几个主要问题结合工程实例进行讨论：

①型式选用：

②内力计算；③结构配筋；④施工中技术问题的处理；⑤前期规划影响。

关键词　桥梁 下部结构 设计

　　连云港市濒临黄海，表层为０．５～２．５ｍ的粘性土硬壳层， 其下为３～１３ｍ的淤泥、淤泥质粘土层，下面为粘土、亚粘土层，再下为花岗石片麻岩。

其中软土淤泥层呈流塑状态，含水量大，压缩性大，透水性差，力学强度低等特点。

软土地基上墩台型式的正确选用非常重要，本文仅针对我市软基经常选用的轻型墩台进行简述：

１　桥梁下部结构型式选用

１．１　钢筋混凝土薄壁墩台

　　当填土不高， 河床不宽时，为减少桥长、节省造价，不让台前锥坡压缩河床， 可采用靠河较近墩台身直立的桩基薄壁墩台，墩台下面设支撑梁， 整个桥梁构成框架结构系统，并借助两端台后的被动土压力来保持稳定。

１．２　柔性排架式墩台

　　我市有部分多孔小跨径老桥采用此型式，墩台基桩多为预制打入。

１．３　埋置式桩柱式桥台

　　该型式桥台设于岸上 台身埋入锥形护坡中，有单排桩柱式与双排桩框架式两种。

采用该型式桥台，为保证路基稳定性，不能过多地压缩桥长，不少工程对此有深刻的教训。

１．４　柱式桥墩 

　　该型式桥墩适应性广、施工方便，为软基中最好的选择型式。

分为①带盖梁单排桩柱式桥墩，一般用于简支梁桥；②不带盖梁独柱式桥墩或排柱式桥墩，用于连续现浇箱梁。

１．５　选用墩台应注意以下两点

１．５．１　为减少软基位移对结构的影响，尽可能减少超静定个数，适当加大桩距，减少桩根数。

以上处理还降低工程造价。

１．５．２　当桩底接近基岩表面时， 承载力接近设计要求，就没有必要再伸入基岩以求更加保险； 若承载力不够时，可把桩径加大再算，尽可能用摩擦桩代替嵌岩柱桩。

笔者在连云港市翻水河桥设计中就这样处理过，当用１．２ｍ桩径时，桩需嵌入基岩１．５ｍ，改用１．５ｍ桩径时，位于基岩表面即可满足承载要求，却大大降低了施工难度。

２　下部结构内力计算

　　为减少软土地基位移对超静定结构的影响，上部工程多采用标准梁的先简支后连续构造，这样整个工程的计算工作主要集中于下部结构，故下部结构内力计算方法的选用是否正确，考虑因素是否全面，直接关系到工程的安危，为此作以下几点分析：

２．１ 　盖梁内力计算

　　《墩台设计手册》中算例对墩台内力按下列方式计算：

当荷载对称布置时， 按杠杆法计算，当荷载偏心布置，按偏心压力法计算， 两种布载状况的内力取大值控制设计。

这种算法没有真正体会规范用意，仅为两种布载状况下的内力计算，不是各截面最不利状态的内力计算，所算内力存在着不安全因素。

正确做法 应该先画出各截面内力影响线，再对应影响线用杠杆法及偏心法进行最不利横向布载， 求出各截面内力最大、最小值，然后根据内力包络图进行结构配筋。

近几年，有的设计单位作如下简化计算也可行，对多支座的板、箱梁桥的墩台帽计算，按活载直接作用于由墩台简化成的连续梁上进行计算， 不考虑活载及二期恒载的横向分布作用。

２．２　桥墩内力计算

　　墩桩顶的最大竖向力计算同上；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、 弯距及对应桩顶竖向力进行桩基各截面内力计算。

２．３　桥台内力计算

　　除了桥墩内力计算项目外，桥台竖向荷载还要增加土压力、负摩阻力、搭板自重等项；水平荷载要增加土压力，其影响复杂，需注意以下几点：

（1）钢筋混凝土薄壁台土压力计算

　　软土地基上带基桩的薄壁台土压力计算要按深层考虑。

（2）埋置式桥台土压力计算

　　土压力一般是以填土前原地面或冲刷线起算的，对较差土质，需根据实际土质验算，确定是否考虑地面以下台后深层土对桩水平压力的影响。

　　台后一定要选用透水、强度高、稳定性好的材料，否则， 渗水后摩擦角及粘结力下降，自重增加，台实际受土压力远大于设计值，使桥台失稳。

　　（3）地震土压力计算

　　地震土压力随着桥梁等级的提高而加大；计算时不考虑活载作用；连云港市地震烈度为７，地震组合力对桥台影响不如对桥墩的影响大。

　　（4）搭板对土压力影响

　　设搭板桥台还应考虑搭板作用后活载土压力改变对桥台有利的影响。

　　（5）桥头路基沉降、滑动验算

　　第一，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，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。

第二，路基滑动：

导致桥台严重破坏，此时桥台所承受水平土压力已远大于正常计算， 对于桥头路基加宽、加高或处于改河、填沟段或路基外不远有沟、河的，更要注意深层滑动验算。

 上述两项如不满足要求，须采用切实可靠措施进行处理，尤以粉喷桩处理桥头软基效果为佳。

３　下部结构配筋

　　下部结构配筋首先涉及配筋方法的选用问题，故在该项中对配筋方法、盖梁配筋、桩筋及桩长设计、桥台配筋等注意事项分别进行讨论：

３．１　极限法及容许应力法应用分析

　　由于现行桥规将钢筋混凝土桥原容许应力法的弹性状态设计改按承载极限状态设计，大家对容许应力法有淡漠趋势。

 事实上，极限法是在等截面简支梁试验基础上获得的， 其适用范围有限，有些方面还必须用容许应力法，设计者需注意根据实际情况合理选用。

３．２　盖梁配筋注意事项

（1）等截面连续梁可以用极限法，但不能完全套用，负弯矩处需留有富余。

（2）变截面连续盖梁只能使用容许应力法。

　　（3）盖梁的抗弯配筋， 两种方法均不控制设计，主要由裂缝宽度控制。

　　（4）抗剪设计，两种方法都对混凝土与箍筋承担剪力比例作了明确规定 这样梁体往往需要设置大量斜剪力筋给梁内布筋带来困难， 配筋时可以通过多设箍筋，让混凝土与箍筋承担更多的比例， 使配筋自由度大一点。

　　（5）盖梁配筋要注意“强剪弱弯” ，大部分梁体破坏是由剪力不足造成的，对抗弯筋满足要求即可，而抗剪筋一般留有富余。

　　（6）施工阶段应力计算多用容许应力法。

３．３　桩筋及桩长设计注意事项 

（1）桩筋设计 

　　目前均采用极限法进行桩体抗弯筋设计，这在规范中已有详细公式。

对桩体抗裂还没有明确要求，目前说法不一，有待进一步研讨。

　　对于基桩各截面的配筋， 从理论上讲，应根据桩内弯矩包络图进行计算布置。

 通常是根据最大弯矩处进行配筋，从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长位置， 减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置， 再下为素混凝土段，对于软基，桩主筋最好穿过软土层。

连云港市桥梁工程， 江苏省交通规划设计院采用的即为这种方式，而交通部第一勘察设计院将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。

具体哪种配筋更合理，对于摩擦灌注桩，无论从桩体受力来看， 还是从节省工程费用及降低施工难度来看，笔者认为前一种更合理：

 ①节省大量钢筋；②钢筋笼少，受桩长的变更而变更； ③减少底部断桩处理的难度，减少扁担桩发生机率。

浇桩时，开始几米发生卡管等事故机率高，而采用第一种方式配筋，底部断桩后，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，新沂河特大桥由省院设计，施工中就有４根素混凝土段断桩是通过重新扫孔浇筑成功的， 而新沂河桥以北路段由部勘察一院设计， 有两根桩出现类似情况，因钢筋笼一通到底，只能采用扁担桩处理。

（2）桩长设计 

　　桩长计算不同于桩基配筋，仍采用容许应力法，最大竖向力应按容许应力法要求计算， 不需考虑极限荷载组合系数。

 ３．４　桥台配筋注意事项

　　在连云港市老桥桥台破坏最多，主要表现在桩基、台身、台帽、背墙、耳墙等开裂，尤以根部裂缝为多，以该市魏跳桥最为典型，该桥布设三孔（２０ｍ＋３０ｍ＋２０ｍ），处于软土地质中，西幅采用框架式桥台，东幅采用带基桩Ｕ型台，桥头填土５ｍ高，又处于改河、临河段，当时限于经费，存在压缩桥孔现象，桥台前移使墩、台缝全部顶死，背墙、耳墙、台帽、台身出现较大裂缝，桥头路基出现很大范围的不均匀沉降及滑动裂缝，后对该桥整治加固。

以往桥台破坏多归结为超载，事实上也与设计时忽略某些因素有关：

（1）要求盖梁完工后与混凝土底模分开，以免增加自重。

（2）台后顺桥向水平土压力对盖梁的水平弯矩是造成盖梁跨中附近侧面竖向裂缝的主要原因，而侧水平土压力易造成耳墙根部弯裂。

　　（3）桥台前移使有缝桥变成无缝桥，大梁就会对桥台背墙产生巨大推力去平衡台后的土压力，两个力作用的结果导致①背墙从根部剪裂； ②盖梁挑出部分从支撑根部斜下弯裂；③台身与盖梁、桩基与台身连接处弯裂。

　　（4）桥台在土压力、恒载、活载、梁反推力作用下将有很大的扭矩，使盖梁发生扭剪破坏。

　　（5）桥头路基下沉致使背墙、梁端受活载冲击力而过早破坏。

　　因此，设计中应适当加桥台强盖梁抗剪、扭的箍、斜筋，并在盖梁前侧表面布置部分抗平弯钢筋；加大背墙、耳墙尺寸及配筋； 加大台身尺寸及配筋；加大桩基根部配筋。

４　施工中下部结构技术问题的处理

　　施工和设计是相互关联的， ＂怎么设计，就怎么施工”，反过来对设计者而言， 应该“怎么施工，就怎么设计”，设计者应保证设计方案的合理性、可实施性，对其提供的施工方案安全性应进行验算，有些施工方案的工艺、工序在设计文件中必须明确，否则对质量、安全有不良影响。

施工中出现的问题也要通过设计来解决，以下针对施工中常遇到的几个大问题进行分析，并从设计上提出解决问题的方法及其预防措施。

４．１　桩长变更

　　地质钻探资料仅反映局部地质情况，加之钻探描述与实际桩孔地质有所出入。

 因此，桩底碰到岩面难以钻进，地质较好时，应允许对桩长进行变更， 但必须要求设计人员、监理人员根据岩层实际强度，设计者既不能轻易变更桩长，又要避免过于保守，在满足承载力情况下进行桩长调整。

４．２　沉淀层厚度指标选用分析

　　①不要对沉淀层要求的太小，施工中难以控制。

②清底系数ｍｏ值对桩长影响较大，以０．３ｄ～０．４ ｄ为宜，个别桩底沉淀层厚度超标的，浇筑前可用反循环清孔法进行清孔。

４．３　断桩处理

　　桩底设素混凝土段对底层断桩处理有很大帮助， 对于上层断桩，可用挖孔接桩法处理，对于中层断桩，有的桩不允许浇筑失败，应重点控制。

４．４　横系梁、承台功用讨论 

　　横系梁的主要功能是为了联结墩柱时调偏，同时增大桩的横向整体性，桥墩不高时，可以取消；较高时，也可将系梁提到施工水位以上，减少围堰费用和困难。

 承台的主要作用是联结群桩， 有些群桩承台结构可考虑用大直径的独桩结构代替，以降低工程造价。

　　连云港市人民桥，斜系梁设于河床下，施工难度大，提高又严重阻水，取消；大浦河桥、翻水河桥考虑系梁施工困难， 不设，仅稍加大桩径；盐河大桥及新沭河特大桥均将系梁提高到水面以上实施； 宁连路上盐河大桥将原框架式桥台简化为无横系梁、 无台身的短凳框架式桥台，因减少了土压力作用面，桥台更安全可靠。

５　前期科学规划、合理方案对建桥的影响 

　　桥梁前期方案设计，对节省工程费用，保证工程质量很重要。

德国工程建设资金充足，方案却往往要做好几年，反复比较以求最佳，而实施时间很短，这一点很值得我们学习，主管部门应给设计单位一个合理的设计周期。

但很多时候，大家赶急，前期工作不细，方案没有深度，等施工图搞好了，再重新完善方案，结果整个设计又从头开始，设计效率较低；若方案做得全面细致，科学合理，可以影响主管部门采纳而较少变动。

５．１　做好总体规划，初步正确框定下部结构的位置及型式

　　我所在１９９８年海连西路蔷薇河大桥设计中， 对老桥调查发现：

东桥台因侵入河床太多而失稳变更，中间通航孔因放样偏差使东盖梁变更加宽。

因此，在方案中：

新建幅增加一孔，以避免桥头路基失稳；通航孔东邻孔作加长处理，使新老幅桥墩一齐，以满足水利及航道要求；墩系梁均设于水面以上，桥台采用无横系梁、无台身、少开挖的短凳框架式桥台，以减少施工难度；桥头用粉喷桩处理软基沉降；并对老桥作相应的改造。

由于总体考虑全面，方案各方满意，设计一次成功。

５．２　做好桥宽规划，提高下部结构的设计质量及设计单位的设计效率

　　规划部门希望桥宽一步到位，而主管部门因资金所限不能一步实施到位。

我所在１９９９年三八河桥设计中，桥宽规划就处理很好，该桥近期１５ｍ宽，远期２５ｍ宽，按２５ｍ宽一步规划到位，中间１５ｍ宽近期实施。

在下部结构设计中对２５ｍ宽４柱式墩台及１５ｍ宽２柱式墩台分别计算，对应截面按大值控制设计， 并为后期盖梁连接预留钢筋，近、远期兼顾。

５．３　勘测是下部结构设计合理的前提和基础 

　　现场地形、地质影响下部结构型式的选择及方案的合理性、可行性，对下部工程设计质量至关重要，如果前期调查不细，就会给工程实施造成设计变更、工期延长、费用增加等问题。

　　我所１９９６年设计的宁海立交２号桥位于连徐高速路、宁连公路、２０４国道三条高等级道路交叉位置，设计初期对现场总体测量发现徐连路与宁连路坐标系、高程系误差均较大，一个多月才解决好；设计过程中，对下部结构坐标、高程重点把关，反复校核；开工后，又和施工单位多次复测调整。

在工程地质方面，把我所钻探资料、钻桩资料及勘一院对该桥钻探资料反复比较分析，对其土层分布范围及岩性了解较透，与某院设计的宁海１号桥相比，每根桩深入岩石层长度要短５～６ｍ，仅此就节省近百万元费用。

　　总之，设计者要善于结合工程实际分析问题、 解决问题，并坚持在工程设计中推陈出新，以不断提高下部工程的设计质量及其使用效