淺談橋梁下部結構設計

趙宏亮

1 概述

橋梁墩臺是橋梁結構的重要組成部分，它主要由墩臺帽、墩臺身和基礎三部分組成。它承擔著橋梁上部結構所產生的荷載，并將荷載有效地傳遞給地基基礎，起著“承上啟下”的作用。

在橋梁的總體設計中，墩臺的選型與結構設計對整個設計方案有較大的影響。確定橋梁下部結構應遵循安全耐久、滿足交通要求、造價低、維修養(yǎng)護費用小、預制施工方便、工期短、與周圍環(huán)境協調美觀等原則;同時還要考慮到結構的受力、土質構造和地質條件、水文、水流流速及河床性質等諸多因素的影響。通過合理的設計和計算，確定基礎形式和埋置深度，使得墩臺有一個穩(wěn)定可靠的地基。

2 橋墩

2.1 橋墩的形式

橋墩按其構造可分為實體墩、空心墩、柱式墩、框架墩等;按其受力特點可分為剛性墩和柔性墩;按其施工工藝可分為就地砌筑或澆筑橋墩、預制安裝橋墩;按其截面形狀可分為矩形、圓形、圓端形、尖端形及各種截面組合而成的空心橋墩。墩身側面可垂直，也可以是斜坡式或臺階式。

2.2 常用橋墩的適用性

由于橋墩形式的多樣化，使得橋梁設計人員在選型方面感到非常的頭疼。下面就常用類型橋梁墩臺的適用性作一簡述，以供設計人員參考。

實體式重力墩自身剛度大，具有較強的防撞能力，但同時存在阻水面積大的缺陷，比較適合修建在地基承載力較高，覆蓋層較薄，基巖埋深較淺的地基上。實體式輕型墩臺圬工體積較小，抗沖擊力較差，不宜用在流速大并夾有大量泥沙的河流或可能有船舶、冰塊、漂流物撞擊的河流中，一般用于中小橋梁上。

薄壁空心墩一般采用強度高、墩身壁較薄的鋼筋混凝土構件。這種構件由于削減了墩身自重，減小了軟弱地基的負荷，減小了自身的截面尺寸，使結構在外觀上變得更加輕盈。

柱式橋墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式。它具有線條簡捷、明快、美觀，既節(jié)省材料數量又方便施工的特點，適用于橋梁寬度較大的城市橋梁和立交橋。設計人員應根據橋寬的需要以及地物地貌條件，把獨柱、雙柱和多柱等進行任意的組合。

2.3 設計中的注意事項

由于橋墩在構造、施工工藝和截面形狀等方面的多樣性，近年來我國橋梁設計人員對下部結構的造型設計有了顯著的變化，改變了以往橋墩粗、大、實的軀體，向著輕型、薄壁、注意造型的方向發(fā)展，從而提高了橋梁下部結構的功能和結構的美感。在現代化的國際大都市——上海市城市高架橋建筑方面體現了這一點。上海市的高架橋上部結構為預應力混凝土連續(xù)鋼箱梁，呈拋物線型;下部的墩臺根據橋面寬窄及其周圍環(huán)境的不同，分別采用了Y形墩、H形墩、獨柱墩、多柱墩等多種形式，截面形狀分別為圓形和方形，從而使得該城市的高架橋像彩虹一樣環(huán)繞在城市之中。

3 橋臺

3.1 橋臺的形式

橋臺按其形式可劃分為重力式橋臺、輕型橋臺、框架式橋臺、組合式橋臺和承拉橋臺。

3.2 常用橋臺的適用性

由于橋臺形式多樣化，下面就常用類型橋臺的適用性作一簡述，以供設計人員參考。

U形橋臺構造簡單，基底承壓面大，應力較小，但圬工體積大，臺內填土易積水、結冰、凍脹，使橋臺結構產生裂縫。因此要注意中間填料要采用滲水性較好的土夯填，并做好臺背排水。

八字式和一字式橋臺適用河岸穩(wěn)定，橋臺不高，河床壓縮小的中小跨徑橋梁，對于跨越人工河道的橋梁及立交橋亦可采用。

薄壁式橋臺同薄壁式橋墩類同，可依據橋臺高度、地基強度和土質等因素選定。

以上這些類型的橋梁墩臺，設計人員在設計時應根據實際情況因地制宜。

4 墩臺基礎設計

在橋梁墩臺設計中，還有一個非常重要的事情，那就是墩臺基礎的設計。工程實踐表明:墩臺的地基與基礎的設計與施工質量的好壞，是整個結構質量的根本問題。因為基礎工程是隱蔽工程，如有缺陷，較難發(fā)現，也較難彌補或修復，而這些缺陷往往直接影響整個橋梁的使用甚至安危。橋梁墩臺的造價，通常在整個橋梁造價中占相當大的比重，尤其是在復雜地質條件下或深水修筑基礎更是如此。因此，我們設計人員對墩臺基礎必須精心的設計，不得有馬虎的思想。

4.1 墩臺基礎類型

基礎根據埋置深度分為淺基礎和深基礎。一般將埋置深度在5 m以內者稱為淺基礎;由于淺層土質不良，須把基礎埋置于較深的良好地層上，埋置深度超過5 m者稱為深基礎。基礎埋置在土層內深度雖較淺(不足5 m)，但在水下部分較深，如深水中橋墩基礎，稱為深水基礎。除了深水基礎，公路橋梁及人工構造物最常用基礎類型是天然地基上的淺基礎，當需要設置深基礎時常采用樁基礎或沉井基礎。

4.2 基礎資料的調查

首先在墩臺基礎設計之前，除了應掌握有關全橋的資料，包括上部結構形式、跨徑、荷載、墩臺結構等及國家頒發(fā)的橋梁設計、施工技術規(guī)范外，還應注意地質、水文資料的搜集和分析，重視土質、建筑材料的調查和試驗。根據橋梁工程規(guī)模、重要性及架橋地點工程地質、水文條件的具體情況和設計階段確定取舍。

4.3 軟弱地基的處理

在搜集了墩臺設計所需資料后，我們根據作用在地基與基礎上的計算荷載的不同特性，以及各種荷載出現的幾率把作用荷載進行分類，并將實際可能出現的荷載組合起來，確定設計時的計算荷載。之后按其可能出現的最不利荷載組合情況進行驗算。

確定了基底應力之后，我們即可根據收集到的地質資料選擇合適的持力層。如果地基承載力不夠時，那么就要對地基進行處理。

人工加固軟弱地基按其處理的基本原理大致可歸納為三類。第一類是挖除全部或部分軟弱地基土層，換填壓縮性低、強度高的土，稱為換土或墊層法。第二類是減小土體中的孔隙，使土密實，從而減小土的壓縮性，提高強度，有擠(壓)密法(如砂樁、夯實、振充碎石樁)，砂井預壓固結法。第三類是在土中注入或添加凝膠劑，填充孔隙，增強土顆粒間的聯結而達到加固目的，可以稱為液灌注加固法。

在選擇地基處理的方法時，我們不要盲目地進行選擇，應通過工程地質勘測和土工試驗，根據土層條件，結合上部構造物，當地有關條件及工程費用等，綜合考慮決定處理方案。

5 結語

當地基處理完畢后，我們可以說墩臺設計的過程結束了，但是一個完善的墩臺設計需要有豐富的設計經驗，需要熟練掌握各種力學、地質學、水文、氣象等方面的知識。例如在太澳高速晉城至省界(濟源)段，中交公路規(guī)劃院的設計人員對于溝谷連續(xù)切入深度超100 m，地貌呈W地形、橋梁規(guī)模較大、施工條件十分困難的橋位，經過對地形、橋梁設計與施工的合理程度經濟技術的比較，推薦采用大跨徑預應力混凝土斜拉橋的設計方案，達到了因地制宜，避免了深谷高橋墩的施工，其構想可謂巧妙，結構先進，施工方便，玲瓏剔透。對于我們設計人員要經常記錄自己的設計成功之處，學習別人的先進之處，取長補短。這樣才能引進新的設計思想和理念，在自己的橋梁設計方面有所突破，更好地為公路建設服務。

［1］ 顧安邦，范立礎.高等學校教材:橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］ 江祖銘，王崇禮.公路橋涵設計通用手冊《墩臺與基礎》［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［3］ 李世文，李衛(wèi)華.武漢二七長江大橋主塔基礎設計［J］.山西建筑，2010，36(6):293-294.