橋梁的下部結構設計分析

黃效峰

摘 要：隨著我國交通的快速發展，橋梁工程在交通工程變得日益重要。對于沿海、沿河城市，跨海大橋是連通河海兩岸的最佳交通方式；對于地勢起伏的山區地區，橋梁橫跨溝壑的最優選擇。橋梁作為交通路線上重要工程，其下部結構的設計的合理與否，關系到整個工程的工期、造價及建設的可行與否。該文就目前橋梁該工程下部結構的設計進行了分析，探討了下部結構的設計特點，期望對橋梁的設計及施工有所指導和幫助。

關鍵詞：橋梁 下部結構 結構設計

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0073-02

橋梁的造價、質量及施工工期等往往都深受橋梁下部結構的影響，橋梁發生的事故大多與下部結構設計有著直接的關系，如沉降不均均勻會導致的橋面開裂和橋體傾斜等。在整個橋梁工程的設計中，下部結構設是整體設計的重點，下部結構設計的合理與否關系的整個橋梁工程的安全和成本的控制。目前橋梁的下部結構設計應更注重合理性的設計，而非可行性設計，可行性設計僅考慮了暫時橋梁工程的穩定性，對后期影響后期橋梁工程整體以穩定性的因素較為模糊，合理性設計更注重后期結構的穩定，更趨于安全。對此，筆者通過對比中外橋梁下部結構的設計形式及下部結構的與缺點，針對我國橋梁下部結構設計時應注意的問題和要點進行了分析闡述，對橋梁的下部結構的合理性設計提出一些建議和看法。

1 橋梁下部結構形式

1.1 國外的橋梁下部結構形式

早期的橋梁建設中，國外的大橋的基礎以氣壓沉箱基礎為主。隨著建設的發展，20世紀40年代，沉井基礎得到廣泛的推廣，成為橋梁下部結構的優選基礎類型。隨著科學技術的飛速發展，20世紀70年代中期左右，各個國家對橋梁基礎都有自己成熟的技術，因此出現了多種類型風格的基礎。

在美國，早期橋梁建設中，橋梁的下部基礎主要采用氣壓沉箱，修筑了紐約布魯克林大橋、Eads大橋。但這種基礎基礎結構造價高、勞動力需求大、施工較為危險。鑒于以上缺點，美國的工程技術人員對其在基礎上進行了改進，發明了沉井基礎，如美國舊金山的奧克蘭大橋、金門大橋都采用了此基礎。二戰過后，美國橋梁基礎的類型日益增多：1955年，查蒙德·圣萊弗爾（RlchmondSanRafael）首創鐘形基礎；1957年，美國龐加川湖橋模仿我國武漢長江大橋試驗采用了管柱基礎；1966年的美國班尼西亞馬丁尼茲橋（BeniciaMartinez）采用了鋼筋混凝土沉井和鋼管樁的組合基礎；1983年，俄勒岡橋（Oregon）采用雙曲線鐘形基礎。1994年，切薩比克一特拉華運河大橋采用預應力鋼筋混凝土方樁基礎；同年，休斯頓航道橋使用鋼筋混凝土方樁做為橋下部結構的梁基礎[1]。

在橋梁大國丹麥，1935年丹麥小海帶橋（TheLittleBelt）采用了鋼筋混凝土沉箱基礎；到了1937年，斯托司脫隆橋（storstrom）采用了較為成熟的沉井基礎；1970年，新小海帶橋亦采用了混凝土沉井結構基礎；1998年，大海帶橋（GreatBeltBridge）的主橋主塔基礎采用了高重力的設置基礎；2000年，厄勒海峽大橋亦全部采用設置基礎裝的方案進行。目前丹麥的大橋下部結構設計和施工技術已經處于世界領先地位。

橋梁大國日本，1970年，廣島大橋、神戶的波特彼河大橋、歧阜縣大橋、早漱大橋、新木曾川橋、日本港大橋等均采用了沉箱基礎；1998年，日本建成了世界上跨度第一的明石海峽大橋，此橋采用了圓形設置基礎。同時，鐘形基礎、多柱式基礎、鎖口鋼管樁基礎在日本橋梁基礎亦有所涉及和發展。

1.2 國內的橋梁下部結構形式

在我國，解放后橋梁建設才陸續開始，橋梁基礎形式主要為沉井基礎、管柱基礎及鉆孔灌注樁基礎。例如：杭州錢塘江大橋采用了氣壓沉箱基礎；長江上第一座橋梁，武漢長江大橋首創了管柱基礎，鑒于其結構的優越性，國外亦先后把管柱基礎應用于實際工程；南京長江大橋采用了沉井基礎；襄樊漢江橋、枝城長江大橋和重慶長江大橋等均采用了沉井基礎；北鎮黃河大橋首次采用了灌注樁基礎，隨后這種基礎類型在我國橋梁廣泛采用[2]。

20世紀80年代，我國開始建設跨海大橋。廈門大橋首次采用以嵌巖鉆孔灌注樁為橋梁下部結構基礎；廣東虎門大橋采用的基礎形式亦是鉆孔灌注樁基礎，成為了我國連接珠江三角洲的重要交通工程；我國第一座具有國際影響力的東海大橋，其主通航跨基礎采用鉆孔灌注樁基礎，對于非通航段采用了鋼管樁基礎，這種類型的基礎充分考慮了適用性與耐久性，使造價與工期相互協調，是我國橋梁建設的典范。

世界上第三長的的橋梁和第二長跨海大橋——杭州灣大橋，開創了國內外大直徑超長整樁螺旋鋼管樁；上海長江大橋是世界最大的橋隧結合工程，采用了鋼-混凝土組合結構作為橋下基礎。隨著我國跨海大橋工程項目的不斷開工建設，積累的經驗也會越來越豐富，下部結構的設計和施工也會越來越成熟。

2 橋梁下部結構設計內容

橋梁下部結構的設計大致分為：橋臺的設計、橋墩的設計、高墩的設計、防撞結構設計、及耐久性等設計。橋梁下部結構設計的好壞，關系著整個工程的質量，下部結構的設計需要做到“合理”，而不是可行。為此，針對上述設計內用予以合理性的分析。

2.1 橋墩與橋臺的設計與計算

對于墩臺的設計，首先應確定作用在墩臺上的荷載，各荷載和外力的計算值，應采用墩臺在正常情況下結構上有可能出現的最大荷載值。土壓力計算一般采用庫倫主動土壓力公式，而不是郎肯土壓力計算，這在設計中應給與重視，不要用錯計算方法，這兩種計算方法有著本質的區別：墾理論是根據土體中各點處于平衡狀態的應力條件直接求墻背上各點的土壓力.要求墻背光滑，填土表面水平，計算結果偏大.而庫侖理論是根據墻背與滑動面間的楔塊型處于極限平衡狀態的靜力平衡條件求總土壓力.墻背可以傾斜，粗糙填土表面可傾斜，計算結果主動壓力滿足要求，而被動壓力誤差較大.朗肯理論是考慮墻后填土每點破壞，達極限狀態；庫侖理論則考慮滑動土體的剛體的極限平衡。活載土側壓力的計算，鐵路橋臺要考慮其沿橫橋向的分布寬度，而公路橋臺則按橫橋向全寬均勻分布處理。墩臺所受的各項荷載中，除恒載外，其他各項荷載的數值是變化的且不一定同時發生。因此在設計墩臺時，就需要針對不同的驗算項目，確定各種可能的最不利荷載組合，對墩臺加以驗算，確保設計安全。在荷載組合當中，車輛活載起著支配作用。重力式橋墩計算中，一般需驗算墩身截面的強度、墩身截面的合力偏心距及橋墩的縱向及橫向穩定性[3]。

2.2 高墩的設計

在橋梁設計中，對于較矮的橋墩，設計中預先考慮的是橋墩的強度，而對于高墩的橋梁，設計的重點集中于橋墩的具體高度、穩定性及墩頂彈性水平位移的驗算。其設計方法與橋墩的設計方法大致相同。

2.3 防撞結構設計

防撞結構的設計主要應對的大面積流水對橋墩的撞擊力、大面積流冰堆積現象、流水對橋墩的磨損以及過往船只的撞擊力等對橋墩的危害。針對流水及流冰的撞擊，在中等以上流冰河道（冰厚大于0.5m，流水速度大于1m/s）及有大量漂流物的河道，應在迎水方向設置破冰棱體；航宇繁忙的河道，船只的過往及船體的失控或能見度較低都會造成傳播與橋墩相撞，為此橋墩設計中不但要有一定的抗船舶沖擊荷載的能力，還應進行緩沖和保護設計，預防或改變船只沖擊荷載的方向或減少對橋墩的沖擊荷載，不使其破壞。以東海大橋為例，其主墩的防撞設計為鋼筋混凝土防撞墩的形式，采用鋼管樁基礎，位于主墩的東西兩側設有防撞墩，護舷牛腿設在防撞墩與主墩承臺之間用以將強整體穩定性，每個防撞墩內采用壁厚20mm，直徑1300mm的螺旋焊縫鋼管作為防撞樁，以應對流水、流冰及船舶的撞擊。

2.4 耐久性設計

橋梁下部結構的耐久性設計分為：承臺與墩柱的耐久性設計、管樁的耐久性設計、鉆孔樁的耐久性設計等。不同地域、不同環境會引起橋梁下部結構的不同腐蝕，腐蝕嚴重與否直接關系到整個橋梁的安全。承臺與墩柱的耐久性設計采用富裕余量、被覆防護材料和涂料、陰極保護等；管樁的耐久性設計可采用包覆層保護、選用高耐久性混凝土提高密實度，減少孔隙率、增加混凝土保護層厚度等方法；鉆孔灌注樁的混凝土靠自重壓密，因此其密實性難以與經過振搗密實的混凝土相比，為增加鉆孔灌注樁的防腐性能，可適當增大鋼筋保護層的厚度（至少為75mm），并在灌注樁上部采用摻合料混凝土提高混凝土的密實度[4]。根據腐蝕區域的劃分，承臺及墩柱結構主要位于浪濺區，將遭受比較強烈的腐蝕作用。采用適當的混凝土保護層厚度，保護層厚度可參考交通部（（海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》中的有關規定，并根據高性能混凝土的設計模型FICK定律來確定一個合適實際需要的保護層厚度。

3 結語

總體講，在建橋梁工程，其下部結構設計得是否良好關系著橋梁的成本、質量及工期。故設計人員進行橋梁下部結構設計是，要從實際情況出發，注重對橋梁下部結構的合理性設計和概念設計，以保障橋梁質量以及后期的使用安全。

參考文獻

[1] 吉亞祥.橋梁的下部結構設計討論[J].江西建材，2015（2）：132.

[2] 達瓦桑布，旦增赤列.淺述橋梁下部結構設計要點[J].城市建筑，2014（6）：263，283.

[3] 鄧含.橋梁下部結構設計相關問題探究[J].黑龍江交通科技，2014（6）：75，77.

[4] 張春光，付曉宣.試析橋梁的下部結構設計[J].科技風，2012（4）：102.