橋梁下部結構設計探微

曾憲義

摘要：橋梁是交通工程的重要樞紐，橋梁工程設計關系到橋梁工程建設質量，一旦出現問題，就會引發嚴重后果。本文主要分析在地震災害對兩種橋梁結構產生的作用，通過對比分析確定科學的下部結構設計方案，為提升橋梁工程建設質量提供參考。

關鍵詞：橋梁；下部結構；地震；設計

地震災害不僅會直接破壞橋梁結構本身，同時意味著通往災區的生命線也將中斷，最終造成極為嚴重的后果[1]。所以，人們越來越關注橋梁結構其抗震性能。目前我國已經制定了相關的準則[2]。尤其需要注意的是，在地震作用下橋梁基礎即便是出現了損傷也是比較難發現的，同時也很難對其進行修復。因此，為了確保橋梁的質量，在設計橋梁的時候必須要滿足抗震性的要求，但是這會使得橋梁建設中基礎部分的成本大幅增加[3]。但是在具體操作中，還是存在部分設計人員根據傳統的經驗實施設計，引起不必要的浪費。

一、地震載荷作用

本文選取了兩種不同類型的梁結構，根據不同的墩高分別是一聯為4×30m簡支轉連續PC小箱梁，另外一聯為17.5+21++21+17.5m RC現澆連續梁，希望能夠確定2種橋梁下部結構其受力規律。

（一）4×30m簡支轉連續PC小箱梁

該對象其單幅橋寬為17m，單向有4個車道。根據文件常規橋梁通常為B、C類橋梁。針對某一特定橋梁而言，如果已經確定了抗震重要性系數之后，會對地震力大小造成影響的主要因素就是場地系數和地震烈度。現在針對地震Ⅶ度區，根據Ⅱ類場地以及Ⅲ類場地分別實施計算。其中橋梁抗震重要性系數依據高速公路橋梁來進行選擇：E1級和E2級分別為0.5和1.7；地基土m值選擇5000。

（二）17.5+21++21+17.5m RC現澆連續梁

該對象橋寬為10m，單向有2個車道；地震烈度以及場地類別分別為Ⅶ度和Ⅲ類，其中橋梁抗震重要性系數依據高速公路橋梁來進行選擇：E1級和E2級分別為0.5和1.7。

根據計算的結果可以知道，對于采用板式橡膠支座的PC小箱梁橋而言，其在Ⅱ類場地的時候，E1地震力和正常使用情況相比較而言常規荷載小；而在Ⅲ類場地的時候，E1地震力與常規荷載相對較為接近；在某墩高范圍以內，墩底彎矩隨墩高增加而逐漸增大。對于RC現澆連續梁而言，在E1、E2地震力以及常規荷載條件下其制動墩墩底彎矩表現出不同的規律。在E2地震力作用的時候制動墩不但承受水平力，另外墩底彎矩隨墩高增加是先增大后減小；而在E1地震力的時候，隨著墩高的不斷增加，在某一墩高范圍內墩底彎矩和E2地震力作用下規律類似，一旦墩高超過某一高度之后，地震水平力降低至不能克服活動盆式支座的摩阻力，使得制動墩以及非制動墩同時受力，制動墩墩底彎矩降低到最小值，隨著墩高的持續增加，墩頂地震水平力不斷降低，墩底彎矩有變大的趨勢；而在常規荷載作用的時候，隨墩高的增加，墩底彎矩線性增加。

不管是在Ⅱ類場地還是在Ⅲ類場地的時候，在E2地震作用下，PC小箱梁以及RC現澆連續梁其墩底彎矩都比E1地震作用和常規荷載要大很多。此外，從上面的計算結果能夠知道，墩高不同，對應的橋墩設計荷載也不一樣，所以應該根據墩高對橋墩實施分類設計，以此來減少工程造價。

二、抗震思想下橋梁下部結構設計

根據相關要求，樁基礎應該根據能力保護設計原則來進行設計，以確保基礎在達到預期強度以前，墩柱進入塑性。橋梁基礎沿順橋向、橫橋向的彎矩，軸力、剪力設計值都應該按照柱底可能出現塑性鉸處的剪力設計值、彎矩承載能力以及相應的軸力來進行計算。

橋墩的縱向配筋必須要達到常規荷載作用下的強度以及抗裂要求，還需要達到E1地震荷載作用下的強度要求。橋墩的截面抗彎承載力直接由橋墩縱向配筋量來決定，進而影響橋墩在E2地震作用下是否可以進入塑性，最后決定橋梁基礎其設計荷載。毫無疑問橋墩縱向鋼筋越多則基礎設計荷載就會越大。所以橋墩縱向鋼筋配置不應該太多，只需要達到E1地震荷載作用以及常規荷載作用就可以了。就當前的情況而言，針對地震Ⅶ度區的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%。如果現澆箱梁制動墩采取樁柱式橋墩，那么樁基主筋截面配筋率需要超過2%，基礎部分造價相對很高，宜實施抗震優化設計。

三、抗震優化設計

（一）4×30m簡支轉連續PC小箱梁其下部結構方案的比較和選擇

本文主要針對墩高13m的情形，選擇不同類型的基礎方案實施經濟技術比較，以期能夠獲得一條該橋型基礎優化設計思路。

4×30m簡支轉連續PC小箱梁的橋寬為17m，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行考慮。3種基礎形式分別如下（其中墩柱尺寸不變）：

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

基礎方案2：在每個橋梁墩柱下面接上2根直徑為1.2m的鉆孔灌注樁；也就是說一個橋墩總共有4根直徑為1.2m的鉆孔灌注樁，且在樁頂設置啞鈴型承臺。

基礎方案3：在每個橋墩下面接上5根直徑為0.6m的打入樁，也就是說一個橋墩總共有10根直徑為0.6m的PHC預制管樁。

在地震Ⅶ度區，Ⅲ類場地的情形下，取13m墩高對墩柱實施配筋設計，對于每根直徑為1.6m的墩柱都配置40根直徑為25mm的HRB335型號鋼筋。依照能力保護構件實施基礎抗震設計，其中基礎方案1、2、3的設計結果分別如下：

基礎方案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%；

基礎方案3：10根AB型直徑為0.6m的PHC預制管樁。

（二）17.5+21++21+17.5m RC現澆連續梁其下部結構方案的比較和選擇

在設計制動墩以及非制動墩的時候應該區別對待。一般而言，連續梁的下部結構都是由一個制動墩加上幾個非制動墩構成。大部分地震荷載由制動墩承擔，而非制動墩承擔的地震荷載非常小，約等同于動摩擦力大小。制動墩在常規荷載作用下還是會分擔絕大部分的水平力。但是在實際操作中，很多設計人員都是將制動墩和非制動墩同等對待，按照同等強度實施設計，引起不必要的浪費。因此，針對制動墩和非制動墩進行區別設計是非常有必要的。另外，建議采取適當的支座使得多墩同時承受水平力。

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

根據計算結果可以看出，使用LRB支座之后，橋墩的設計荷載和原制動墩的設計荷載相比較降低了將近50%。

通過對比可以發現，針對常規中、小跨徑現澆連續梁橋而言，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橋墩中來，對原有的載荷模式進行了改變，在符合抗震以及使用要求的條件下，降低工程造價。

四、結束語

綜上所述，筆者針對抗震情況下市政橋梁下部結構選型與設計方案進行了研究，具有重要的現實意義。現代橋梁設計中都要求其具備較高的抗震性能，隨著相關文件的頒布，對于橋梁設計抗震性要求越來越高，因此，做好現代橋梁設計抗震性能需要不斷的進行努力。

參考文獻：

[1]韓冰.論述橋梁下部結構設計[J].科技資訊，2009（16）：104.

[2]羅余良.討論橋梁下部結構的選型及設計[J].河南建材，2010（1）：126～127.

[3]馬宏偉，肖瑩.市政橋梁下部結構施工技術[J].科技致富向導，2013（29）：267.endprint