橋臺設計及計算

汪荷玲

（廣州市市政工程設計研究總院,廣東 廣州 510060）

0　引言

隨著經濟的迅猛發展，市政橋梁修建越來越多，而橋臺作為橋梁的重要結構之一，不僅要承受橋面上傳遞來的豎向荷載，還要承受臺背填土及填土上車輛荷載所產生的附加側壓力。橋臺受力復雜，影響因素眾多，既要作為受力結構，又要充當擋土結構，防止路堤填土的滑坡和坍落，是確保全線交通運輸的安全保證[1]。另外，近期橋臺病害頻出，如橋臺開裂、橋頭沉降、橋臺前傾等也越來越多，因此在橋臺設計時，根據不同的地質情況和受力條件，選擇合理類型的橋臺顯得尤為重要。

1　常用橋臺類型

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

圖1　薄壁柱式橋臺

圖2　扶壁式橋臺

1.1　薄壁式橋臺

薄壁式橋臺主要是利用鋼筋混凝土結構的抗彎能力來減少圬工體積，從而使橋臺變得輕型化，可減少圬工體積40%～50%[2]，同時因為自重的減輕而降低了對地基承載力的要求。常規的薄壁式橋臺受力合理，工程量少，對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]。由于以上優點，薄壁式橋臺在市政橋梁設計中得到了廣泛的應用。但其適用橋臺高度不高，一般適用于臺高不大于6 m的橋臺，多用于中小橋橋臺設計中。

圖3　座板式橋臺

圖4　肋板式橋臺

1.2　扶壁式橋臺

扶壁式橋臺結合傳統的輕型薄壁臺及肋板臺的特點[4]。胸墻相當于薄壁臺的臺身，除了承受上部結構荷載及臺后土壓力外，還能通過對臺后填土的阻擋來實現不侵占通行孔徑，節約空間和造價。而扶壁的設置可以增加胸墻的抗彎剛度，減小結構的彎曲變形，避免結構出現裂縫，使得扶壁臺適用高度較傳統輕型薄壁臺有很大的提高。雙排樁基礎（群樁）則大大提高了橋臺結構的抗傾覆及抗推剛度，增加了結構的穩定性[4]。扶壁式橋臺一般適用于橋臺高度為7～12 m的橋梁。由于扶壁式橋臺不侵占通行孔徑，故多用于市政橋梁中。

1.3　座板式橋臺

座板式橋臺是在薄壁式橋臺基礎上，去掉臺帽和臺身，支座直接放在承臺上。它是以抬高基礎為出發點，避免反開挖，用兩排灌注樁抵抗臺后土壓力，是針對軟土地區而設置的橋臺型式，能夠充分適應軟弱土質地區橋臺設計和施工要求，但存在局部回填壓實困難的缺陷，然而相對于反開挖施工而言，還是有明顯的優勢。故在軟土地區，由于淤泥較厚，樁頂位移往往較大，很難滿足規范要求（規范規定橋臺的樁基水平位移不大于6 mm[5]），通常采用座板式橋臺。

1.4　肋板式橋臺

肋板式橋臺是埋置式橋臺的一種，是把臺身的大部分埋入錐形護坡或者溜坡內，其縮短了翼墻，僅由臺帽兩側耳墻和路堤銜接。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點，所以經常被用于高速公路跨線橋的橋臺。因為橋臺所承受的土壓力大為減少，所以橋臺體積也減少了許多。但是由于臺側溜坡延伸至橋孔內部，壓縮了河道，有時候需要把橋臺的位置向后移從而增加了橋梁的長度，增加了工程的投入[2]。

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

2　工程實例

北溪大橋橫向分幅設計，左右幅橋橋跨布置均為[（2×30）+（36+4×60+36）+2×（3×30）]m，全長552 m，橋寬為16.5 m，兩幅間有1 m寬鏤空帶；其中主橋上部結構為掛籃懸澆預應力混凝土變截面連續箱梁，引橋上部結構為預制預應力混凝土簡支小箱梁；下部結構采用Y形板墩+大挑臂蓋梁、薄壁式橋臺，樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

該橋Z1號軸橋臺高7.4 m，且右幅橋橋臺處有其他建筑物，無法放坡，故采用扶壁式橋臺（見圖5）。在Z5號軸處，地質資料顯示有較深的淤泥，且有放坡條件，故采用座板式橋臺，緩解軟基地區樁基受力過大的不良情況。

3　扶壁式橋臺計算

結合北溪大橋Z1號軸橋臺設計來闡述扶壁式橋臺的計算內容。

3.1　扶壁式橋臺荷載分析

3.1.1臺后土壓力計算

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）第4.2.3條，按主動土壓力計算。填土的重力19 kN/m3，內摩擦角30°，主動土壓力系數0.301。根據《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011），橫橋向布置3輛車。破壞棱體長度4.831 m，等代土層厚0.513 m。臺后填土及汽車引起的側土壓力計算結果見表1。

圖5　北溪大橋Z1號軸橋臺（單位：mm）

表1　臺后填土及汽車引起的側土壓力

3.1.2荷載組合

將橋臺自重，臺后填土側壓力，上部結構恒載、汽車、人群支反力，汽車引起的土側壓力、支座摩阻力7項荷載按不同分項系數組合得到每片扶壁計算截面處的內力匯總，見表2。

表2　扶壁底面內力匯總表

3.2　橋臺計算結果分析

3.2.1扶壁截面驗算

扶壁按錨固在承臺上的變截面T形截面懸臂梁計算，臺身為梁截面的翼緣板，扶壁為腹板。扶壁截面驗算時取扶壁底面，根據規范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）[6]中壓彎構件進行驗算。驗算結果見表3。

表3　扶壁底截面強度計算

根據頻遇組合考慮準永久效應計算得到扶壁裂縫寬度0.09 mm＜0.2 mm（規范要求），故扶壁臺截面滿足規范要求。

3.2.2順墻長方向臺身截面驗算（取單位寬度）

單位寬度的臺身水平板條，可按支撐于扶壁上的連續梁進行計算[7]。

支點負彎矩組合設計值：

跨中正彎矩組合設計值：

式中：L0為相鄰扶壁間的凈距；σi計算點處對應的豎直壓應力。計算結果見表4。

表4　順墻長方向臺身截面內力

按照扶壁截面的驗算方法分別驗算順墻長方向臺身截面承載力和裂縫寬度，結果均滿足規范要求。

3.2.3垂直墻長方向臺身截面驗算（取單位寬度）

單位寬度的臺身豎直板條，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為臺身高度；bL為臺身豎向板條順墻長方向的單位寬度。計算結果見表5。

表5　垂直墻長方向臺身截面內力

按照扶壁截面的驗算方法分別驗算豎直墻長方向臺身截面承載力和裂縫寬度，結果均滿足規范要求。

3.2.4承臺驗算

承臺按照撐桿-系桿體系進行計算，計算結果見表6和表7。

表6　承臺正截面強度驗算結果

表7　承臺斜截面抗剪驗算結果

由表6和表7可知，承臺正截面強度最小安全系數為1.9，斜截面抗剪安全系數為2.8。故承臺設計滿足規范要求。

3.2.5樁基驗算

通過橋臺內力計算得到承臺底面內力，見表8。并采用方法計算得到樁基截面控制內力，見表9。

表8　承臺底面內力匯總

表9　樁基截面控制內力

表10　樁基正截面抗壓強度驗算結果

根據地質報告知，此橋臺處巖層較深，橋臺樁基按摩擦樁設計。樁基按照規范要求采用圓形截面偏心受壓構件。對樁基承載力驗算結果見表10，計算裂縫寬度0.1 mm＜0.2 mm。故橋臺樁基設計滿足規范要求。

4　結語

（1）在橋梁設計過程中，橋址環境千變萬化，只有在設計過程中，通過不斷探索、總結，才能選擇更加合理、經濟的橋臺型式，進而提高整體結構的設計質量與使用效果。

（2）扶壁式橋臺結合了傳統輕型薄壁臺與肋板臺的優點，能很好地應用于市政橋梁中特定情況下的橋臺結構中。

（3）通過北溪大橋橋臺設計，對扶壁式橋臺進行系統的計算分析，為同行設計者提供參考。