梁橋橋臺形式及肋板式橋臺的適用性研究

許永永 苑文萍

摘要：本文主要論述了幾種常見橋臺形式的適用性，總結歸納出比較實用的梁橋橋臺形式選擇方法。結合實際工程項目，本文對肋板式橋臺進行結構內力分析，總結出肋板式橋臺不同結構形式的適用性，為此后類似橋臺的設計和施工提供參考。

關鍵詞：梁橋，橋臺形式，肋板式橋臺，結構計算

中圖分類號：U448.21+2 文獻標識碼： A

近年來，隨著道路交通系統的飛速發展，梁橋憑借其突出的優點，已成為橋梁建設中最常用的橋梁形式。對于梁橋而言，墩臺的結構形式對于梁橋的整體結構受力性能影響很大，目前針對橋墩形式的受力計算和分析研究已經取得了有指導意義的成果[1-2]。而梁橋橋臺形式，主要取決于路基填土高度、橋跨結構類型、基底地質、水文條件及河岸地形等因素，常用的結構類型主要有重力式橋臺、埋置式橋臺、輕型橋臺等，如何選擇合理的橋臺形式需要根據實際情況具體分析計算而定[3]。

1.梁橋橋臺結構形式的適用性

橋梁墩臺是橋梁結構的組成部分，橋臺的高度一般是由橋頭路基填土高度確定的。橋梁全長在滿足泄洪或通航要求的前提下，可在橋頭修筑高橋臺、高路堤，也可用引橋取代高路堤，這主要取決于橋位附近地形、地質、土石方調配、合理使用土地及環境美化等方面的條件。在選用高橋臺、高路堤時，應慎重考慮技術上的安全可靠，以及多占用土地的長期損失，不宜單純追求節省橋梁工程而壓縮橋梁長度。例如，山區跨谷橋梁不宜在陡峻山坡上修筑高橋臺；城市橋梁因取土不易、影響市容，也往往避免高路堤而采用引橋。

目前梁橋中常見的橋臺形式主要有重力式橋臺、埋置式橋臺、輕型橋臺等，實際選用過程中，需綜合考慮填土高度、填土類型、橋梁寬度、荷載等級等因素的影響。

（1）重力式橋臺適用于地基條件比較好的情況，常用的U型橋臺主要靠自重來平衡外荷載，以保持自身的穩定性。這種橋臺構造簡單，但臺身較高時工程量較大，自重相應也增大，對下部地基條件要求就比較嚴格，一般用于橋梁跨度較小的低矮橋臺，根據《墩臺與基礎》規定，U臺適應的填土范圍為4～10m，所以U臺的高度最好以10m控制。

（2）埋置式橋臺具有臺身短、工程量省的優點，適用于橋頭為淺灘,臺前護坡受沖刷小,在填土高度在10m以下的中等跨徑橋梁中使用。橋臺前錐坡體既起保護橋臺的作用，又可平衡臺背側壓力，故應采用較緩的邊坡坡度，以保證穩定。

（3）輕型橋臺是利用鋼筋混凝土結構的抗彎能力來減少圬工體積而使橋臺輕型化。主要可分為薄壁輕型橋臺和支撐梁輕型橋臺。這種橋臺可節省圬工材料，重量輕，但用鋼量較大，施工相對比較復雜。一般適用于軟弱地基，對于軟土地基，雖然由于自重減輕而減小了對地基的壓力，但會引起橋臺的抗滑穩定性降低，因而應根據橋臺的高度、地基強度和基底土質等因素進行設計計算。

橋梁橋臺型式選擇應符合因地制宜、就地取材和便于施工、養護的原則，達到適用、安全、經濟、與周圍環境協調、造型美觀的目的。近年來, 橋臺的常用高度一般不超過15m,少數高達20m，對于橋臺高度在15m以上的橋梁大都以加孔的方式來降低橋臺的高度。但由于受路線縱坡的限制,單純通過加孔方式來降低橋臺高度會大大影響工程的經濟性。實際工程中也有通過墊高地面、設高樁承臺及加筋土擋墻等方法來解決高橋臺的問題,但由此引起的實際工程問題往往更加棘手，如墊高地面在施工中地基土的壓實度很難保證，高樁承臺對下部樁基礎的設計提出較高的要求,加筋土擋墻高度大于15m時,容易產生裂縫,其穩定性也值得商榷。

2.肋板式橋臺的計算理論

基于對梁橋的幾種常用橋臺形式的分析，本文主要選取埋置式橋臺中的最常用的肋板式橋臺進行研究， 驗算內容包括以下幾個方面：1)截面強度驗算；2）橋臺穩定驗算，主要指縱向撓曲穩定驗算；3）橋臺整體穩定性驗算，包括抗傾覆穩定驗算和抗滑移穩定驗算4）墩頂水平位移計算。

本文著重將計算過程中需要特別注意的幾個問題列出，并提出相應的解決方法，以供此后類似橋臺計算參考。

2.1 土壓力計算范圍

當驗算臺身強度和地基承載力時，計算基礎頂至橋臺頂面范圍內的士壓力；當驗算橋臺穩定性時，計算基礎底至橋臺頂面范國內的土壓力[4]。

2.2 驗算截面

在驗算墻身各處截面應力時，先按純混凝土計算，若荷載效應不利組合的設計值大于構件抗力效應設計值時，設置受拉鋼筋。

2.3 土壓力計算

圖1.主動土壓力計算圖示

a）臺后主動土壓力

當土層特性無變化且無汽車荷載時：

當土層特性無變化但有汽車荷載作用時：

其中為汽車荷載的等代均布土層厚度（m），

式中—破棱體平面內布設的活載軸重；—破棱體平面面積；—為破棱體平面寬度；—為破棱體長度。

b）臺前溜坡主動土壓力：

當橋臺前溜坡有適當防護措施，不致被沖去時，可考慮臺前溜坡對橋臺產生的主動土壓力。

為主動土壓力系數，按下式計算

B為橋臺的計算寬度，對于實體式橋臺為橋臺全寬；

若時，

若，應根據柱的直徑或肋板的寬度來考慮柱（肋）間空隙的折減：

當時，

當時，

2.4 橋臺整體穩定性驗算

橋臺整體穩定性驗算包括橋臺的抗傾覆穩定驗算和抗滑移穩定驗算，但是實際工程中橋臺基礎滑動對于橋涵墩臺來說是很少見的，由于橋涵墩臺基礎一般埋置深度較深，而且基底的容許應力已有一定的安全系數，這就保證了基底土不致產生局部極限平衡而達于塑性流動。當橋臺采用鉆孔灌注樁基礎時，一般情況下，樁基可不驗算抗傾覆及抗滑穩定性，但在特殊情況下，應考慮樁基向前移動和被剪斷的可能性[5]。

2.5 墩頂水平位移計算

對于高度超過20m的墩臺形式，應驗算頂端水平方向的彈性位移，并使其符合規定要求。墩臺頂面水平位移的容許極限值為

式中：—臺頂位移；—承臺水平變位；—承臺角變位；—臺帽頂至承臺底面距離；

3.基于實際工程的肋板式橋臺計算分析

鄭州至登封快速通道改建工程項目路線全長73.616公里，按一級公路兼具城市道路標準設計，全線共有特大橋1729.44/2座，大橋6223.6/19座，中橋186.46/3座，橋寬26m。該項目采用橋型有矮塔斜拉橋、現澆預應力混凝土連續鋼構橋、裝配式預應力混凝土T型梁橋、裝配式預應力混凝土箱型梁橋以及框架橋，橋墩形式的選用主要考慮橋型、墩高、地形條件、以及受力方式等因素，形式多樣，受力相對明確；在選用橋臺形式時參照前文所述橋臺選擇方法，采用了常用的U型橋臺、柱式臺、肋板式橋臺，其中肋板式橋臺的使用范圍最廣，填土高度從4m到13.5m，根據地形地基條件、土壓力、以及橋臺強度穩定性驗算，確定了最適合的肋板臺型式和填土高度范圍。

本文計算分析時，假定橋臺全寬B不變，肋板懸臂長度B3/肋板間距B2取0.38～0.42，擬定肋板尺寸，分析肋板高度對肋板式橋臺強度及穩定性的影響，肋板式橋臺計算圖示如圖2所示。

圖2.肋板式橋臺計算圖示

（1） 兩肋式橋臺，擬定肋寬b=1m，樁徑D=1.2m。

驗算肋高從4m開始，肋板頂配筋率雖較大，但隨著肋板高度的增加配筋率逐漸減小并趨于穩定，大于7m之后相對穩定；肋板底配筋變化較小。當肋高大于7m時，肋板底配筋隨著填土高度的增加迅速增加，當肋板高度達到11.5m時，肋板頂面和底面的配筋率基本相等。

此外根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》中關于基礎穩定性的計算，本文偏安全不考慮樁基對肋板臺的約束作用。經驗算，當肋高大于10m時兩肋式肋板式臺有傾覆的危險，因此，建議兩肋式橋臺的情況適用于肋高4～7m的范圍，最高不應超過10m。

（2） 三肋式橋臺，擬定肋寬b=1.1m，樁徑D=1.5m。

驗算肋高從7m開始，肋板頂配筋率雖較大，但隨著肋板高度的變加配筋率逐漸減小并趨于穩定，大于13m之后相對穩定；肋板底配筋變化較小，肋高到達13m時肋板頂面和底面的配筋率基本相等。當肋高大于13.5m時，肋板底配筋隨著肋板高度的變化迅速增加，超過19m時，肋板底配筋率和樁頂力都明顯增大，這對橋臺的穩定和橋梁下部設計都不利，并且通過經濟評價，填土高度大于19.5m也沒有通過增加跨徑經濟。

4.結束語

本文通過對梁橋橋臺形式的研究和分析，結論如下：

1) 當橋址處的地質條件比較好的情況的下可以選擇重力式橋臺，通常填土高度不超過5m，但是在地質地基能滿足強度要求并且在橋臺體積不受限制的情況下可以做到8～10m,但應做好臺后排水措施；

2) 在一般地質條件下填土高度不超過4m的情況下，選用柱式橋臺是相對比較安全和經濟的方案，但是由于樁柱式橋臺抗推剛度小，當聯長超過150m，臺后填土高度較高時不宜使用；

3) 肋板式橋臺的適用范圍比較廣，填土高度4～13m的情況下均可使用，但需要根據實際受力情況進行安全性驗算，超過8m的填土高度需要通過增加肋數以保證橋臺的剛度和穩定性；

4) 橋臺的常用高度不超過10m, 對于跨徑20m和30m的梁橋來說，19.5m以下適合通過采用輕型薄壁橋臺來實現，但是超過19.5m的填土高度，將會大大影響橋梁的安全性和經濟性；

5) 橋臺背后的土壓力和基礎周圍路基填土的重量，勢必增大地基中的應力和變形，因而易引起橋臺后仰和前移，對建筑在松軟地基上的橋臺，尤應特別注意。

參考文獻：

[1].張和.橋墩形式對高墩曲線連續剛構橋結構影響分析[D]?.西安:長安大學,2007.

[2].周煥云.城市跨線橋橋墩形式的選擇和結構設計[J].交通標準化,2005,?(12).

[3].段繼組.公路橋梁高橋臺適用性分析[J].山西建筑,2010,?36(10).

[4].江祖銘,王崇禮.公路橋涵設計手冊-墩臺與基礎[M].北京:人民交通出版社,1994.

[5].JTG D60-2004.公路橋涵設計通用規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

作者簡介：

許永永（1987.05），女，工學碩士，河南洛陽人，漢族，洛陽市公路規劃勘察設計院，從事橋梁設計工作。

苑文萍（1986.11），女，工學碩士，河南開封人，漢族，鄭州市交通規劃勘察設計研究院，從事交通規劃工作；