扶壁式橋臺在市政橋梁中的應用

鄭雨凡

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

扶壁式橋臺在市政橋梁中的應用

鄭雨凡

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

金湖大道工程設計中為配合河網建設沿線布置了多座中小橋，橋址處軟土層較厚，文章通過工程實例，列舉多種橋臺形式，從結構受力、經濟、施工等方面比較，最后選定扶壁式橋臺做為項目的設計方案，簡要介紹扶壁式橋臺各構件的構造和計算特點，并結合金湖大道工程中的一座橋梁，對扶壁式橋臺的主要受力構件采用不同計算方法進行分析。

市政橋梁；扶壁式橋臺；軟土地基；計算方法

1 工程概況

金湖大道工程位于莆田市湄洲北岸經濟開發區，呈東西走向，西起城港大道，東至媽祖城環城路，沿途依次與石化路、通港大道、鐵灶路、荔港大道、學府路、規劃路相交，全長5 645.736m。其屬于城市主干道，設計時速50km/h，城港大道至荔港大道段道路規劃紅線寬度為28m，雙向4車道；荔港大道至環城路段道路規劃紅線寬度為40m，雙向6車道。金湖大道是湄洲灣港口周邊一條十分重要的疏港道路，承擔著疏港道路過境交通需求，也是湄洲灣北岸經濟開發區南片區規劃的“三縱三橫一環”道路骨架中的“一橫”，是“東城西港”的連接樞紐。

在金湖大道設計過程中，為配合片區河網建設，根據莆田市濱海新城防洪防潮排澇規劃報告及項目洪水影響評價報告，沿線共設置中橋5座，小橋1座。

根據規范要求，橋梁設計過程應遵循安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀的原則，同時應考慮因地制宜、便于施工等因素。由于該項目橋梁均為跨越河道的中小橋，經過比較后，上部結構統一采用標準化程度高、施工方便的預制裝配式結構，落在河道中的橋墩均采用阻水小的圓形柱式墩。

根據地質鉆孔揭露，本項目場地地質覆蓋有較厚的淤泥質土，揭示厚度為0.90m～ 17.40m，平均厚度為9.94m，淺層地基承載能力差，橋梁墩臺基礎需采用灌注樁基礎。橋梁的上部結構和橋墩形式的方案選定后，根據項目實際情況選擇合理的橋臺形式成為本項目設計的重點。

金湖大道沿線橋梁跨越的河道斷面均為矩形斷面，護岸采用漿砌片塊石擋墻，因此在橋臺設計中應采用具有擋土作用的結構形式。

針對以上要求，本文列舉4種橋臺形式，從工程造價、施工等方面進行比較，選定扶壁式橋臺為本項目的設計方案，并介紹扶壁式橋臺的構造、計算特點等。

2 方案比較

2.1 樁柱式橋臺

圖1 樁柱式橋臺構造圖

樁柱式橋臺結構如圖1所示，由樁基、蓋梁、耳背墻組成。橋臺構造簡單、受力明確，下部工程量小，基坑開挖和支護的工程量小，施工方便。樁柱式橋臺可以采用先填土后施工樁基的方法，因此填土壓實度高，可以有效減小填土沉降值及作用在橋臺上的土壓力。由于河道斷面為矩形斷面，臺前無法設置錐坡，因此需在臺前設置擋土墻以銜接河道。在橋臺前設置擋土墻時，需加大橋梁的布孔長度，從而增加上部結構的梁高和上部結構的工程量；而市政道路的縱斷設計往往受橋梁設計高度的控制，因此梁高的加大會造成橋梁范圍標高的抬高，進而增加路基工程量。在施工過程中，如果河道與橋臺樁基的施工順序不當，河道開挖過程產生的淤泥流動會使樁基傾斜甚至發生斷樁的情況。因此該項目不宜采用該形式橋臺方案。

2.2 薄壁式橋臺

薄壁式橋臺如圖2所示，是在臺帽位置采用鋼錨栓使橋臺與上部結構連接，下部基礎之間采用支撐梁連接而形成的框架結構，橋臺臺身形成一根上下均有水平支撐的豎梁來抵抗臺后填土的作用，結構的受力體系大為改善，從而大大減小了臺身的厚度，降低對地基承載力的要求。薄壁式橋臺造型輕巧，樁基礎采用單排樁，節約材料，施工過程開挖的基坑小，施工簡單，造價經濟，因此本方案優點明確。

圖2 薄壁式橋臺構造圖

但在軟土地基厚度大的橋梁中，薄壁式橋臺的剛度小，抗傾覆能力差，橋臺與支撐梁容易產生不均勻沉降，從而破壞結構的受力形式；而且薄壁式橋臺的框架受力形式對橋臺的施工順序，上部結構與臺身之間連接的施工質量均要求很高，實際工程中常因為施工不當而產生縱向變形過大、臺身開裂等病害。在運營過程中，根據實際工程反饋，薄壁式橋臺在臺高大于5m時，在臺身位置容易裂縫，從而降低結構的耐久性和安全性，影響橋梁的使用壽命，且由于金湖大道上部分橋梁為多孔結構，橋墩采用蓋梁柱式墩，在橋臺上無法設置支撐梁。

因此，該項目不建議采用薄壁式橋臺。

2.3 U型重力式橋臺

U型重力式橋臺如圖3所示，是橋梁上常見的一種橋臺形式，其由臺帽、側墻、前墻和基礎組成，主要特點是依靠橋臺自身恒載來平衡外力使其保持穩定。U型重力式橋臺的優點是取材方便，整體性好，剛度大，抗傾覆能力強，臺身可采用片石混凝土或混凝土等圬工材料澆筑而成，構造簡單，施工方便，工藝成熟，質量易控制。

重力式橋臺的缺點是體積大、重量大，對基礎的承載力要求高，基礎所需的基坑的開挖量大，且由于其臺身是由大量圬工材料組成，含筋量少，在回填土施工碾壓、溫度及混凝土收縮徐變等因素影響下，臺身表面容易出現裂縫，從而影響橋梁結構的耐久性和安全性，這一現象在高、寬的橋臺上較為明顯。

由于該項目道路橫斷面寬，橋臺較高，圬工工程量巨大，因此不建議采用U型重力式橋臺。

圖3 U型重力式橋臺構造圖

2.4 扶壁式橋臺

圖4 扶壁式橋臺構造圖

扶壁式橋臺如圖4所示，扶壁式橋臺由臺帽、前墻、扶壁、側墻、承臺、群樁組成，其構造特點是沿前墻長方向間距一定長度設置一道扶壁，從而改善了臺身的受力形式，提高的整體性，優點是厚度小、自重輕、經濟指標好。通過比較可發現，扶壁式橋臺的前墻相當于薄壁式橋臺的臺身，而增加設置的扶壁可以提高前墻的抗彎剛度。水平荷載是由扶壁和前墻組成的框架結構來抵抗的，減小結構的彎曲變形，避免薄壁式橋臺常出現橫向裂縫，因此扶壁式橋臺可適用于較大的高度。同時橋臺采用承臺雙排樁基礎，通過群樁基礎來承受結構的水平、垂直荷載，群樁基礎增加橋臺結構的抗傾覆、抗推剛度，提高結構的穩定性，所以可以適用于各種地質情況。

但扶壁式橋臺的缺點是構造相對復雜、施工受扶壁影響較不方便、基坑開挖面較大等。

由于該項目場地軟土層較厚，臺高較大，為更好地解決橋臺的水平位移，以扶壁式橋臺做為推薦方案。

3 扶壁式橋臺計算分析

3.1 臺帽

臺帽擱置前墻和扶壁上方，為鋼筋混凝土結構，其作用是擱置上部結構梁底及橋臺搭板，將上部結構和橋臺搭板上的各項荷載傳遞至扶壁上，設計厚度按60cm，設計一般采用構造配筋。

3.2 側墻

側墻設置在橋臺的兩側，起到銜接橋梁結構與路基工程及橫向擋土的作用，側墻采用鋼筋混凝土結構，側墻的寬度需滿足人行道格梁或防撞欄預埋筋的需求，側墻長度根據橋梁兩側場地的填土高差設置。側墻設計過程主要考慮承受土壓力和活載產生的彎矩，在施工過程中，采取內外側平衡回填、碾壓的施工方法或在外側設置支護的措施，以避免側墻根部在施工過程中受到過大的土壓力。

3.3 扶壁

扶壁是扶壁式橋臺的主要受力構件，其間距一般取1/4～1/2臺高，扶壁的厚度根據扶壁背面的配筋要求，一般為50cm～80cm，扶壁頂、底寬根據臺帽、承臺的構造尺寸擬定[1]。通過分析，扶壁結構承受的各項作用主要有：

(1)永久作用

①支座傳遞的上部結構、橋面系的恒載；

②橋臺臺帽、背墻的自重；

③橋臺臺后搭板的恒載；

④扶壁、前墻的結構的自重；

⑤臺后回填土的側壓力。

(2)可變作用

①支座傳遞的臺前汽車荷載；

②汽車的沖擊力；

③汽車制動力；

④人群荷載；

⑤臺后搭板上的汽車引起的土側壓力；

⑥溫度作用；

⑦支座摩阻力。

(3)地震作用

扶壁結構主要受各項作用的豎向力、水平力以及這些作用產生的彎矩，其受力模型為底部嵌固在承臺的偏心受壓構件，計算方法根據前墻是否參與受力分為兩種：

①考慮前墻與扶壁共同受力

如圖5所示，以扶壁為中心，橫橋向將扶壁與前墻切割成多個T形截面的單元體，扶壁做為T梁的腹板，前墻為T梁的翼緣。在豎直方向，T梁的梁高是變化的，T梁翼緣的計算寬度根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[2]4.2.2條規定采用，此T梁截面按偏心受壓構件進行設計，其承載力計算應符合上述規范第5.2.3、5.3.6條規定，計算過程此處不再贅述。

圖5 考慮前墻與扶壁共同受力計算模型

②不考慮前墻參與受力

如圖6所示，計算中僅考慮扶壁單獨受力，扶壁計算單元在為矩形截面結構，豎直方向矩形截面的梁高是變化的。此時前墻僅將受到的土壓力傳遞到扶壁上，不提供抗力，計算時按矩形截面偏心受壓構件進行設計，承載力計算根據JTG D62-2004規范[3]5.2.2及5.3.5條規定，JTG D62-2004。這種計算方法相對保守，但是計算簡單。

圖6 不考慮前墻參與受力計算模型

基此，本文以金湖大道K0+675.3中橋為例對兩種計算方法結果進行比較，K0+675.3中橋上部結構為1孔20m裝配式預應力混凝土空心板梁，橋梁橫斷面布置為5.5m人行道+17m行車道+5.5m人行道,斜交10°;下部結構扶壁式橋臺臺高4.5m，扶壁寬度0.6m，扶壁間距2.87m，底寬3m，前墻厚度為0.8m，樁基采用雙排直徑為1.0m的鉆孔灌注樁，橫橋向樁間距5.0m，縱橋向間距3.0m。橋臺臺后采用透水性材料回填，內摩擦角為35°，壓實度不小于95%。取臺身底截面進行驗算，兩種計算方法作用在橋臺扶壁底截面各項作用如表1～表2所示。

表1 計算單元截面為T形單元時扶壁底截面各項作用效應值

表2 計算單元截面為矩形單元時扶壁底截面各項作用效應值

根據現行公路橋梁設計通用規范對各項作用效應按不同設計狀態進行組合，得到兩種計算方法作用在每個扶壁結構上的作用組合如表3所示。

表3 作用于臺身底面處最不利組合作用效應

控制橋臺臺身裂縫寬度≤0.15mm，通過計算可知，計算單元截面為T形時需配置5根直徑22mm的HRB400鋼筋，計算單元截面為矩形時需配置10根直徑22mm的HRB400鋼筋，可見不考慮前墻參與受力的計算算方法較為保守。

3.4 前墻

扶壁式橋臺結構的前墻起擋土作用，計算時僅考慮土壓力的作用，上部結構豎向作用及其產生的彎矩由扶壁抵抗，此時可取前墻底處豎向1m高度做為計算單元，計算模型為以側墻和扶壁為支撐的單向連續板，側墻處的約束應模擬為剛性約束，前墻底部高度的土壓力以均布力的方式加載在結構上。計算模型如圖7所示。

圖7 前墻計算模型圖

3.5 承臺及樁基

將承臺底以上各種作用效應按規范進行組合，計算出承臺底的最不利受力組合，并根據規范要求進行承臺配筋、樁基驗算，計算過程此處不再贅述。

4 結語

為配合城市河網建設而設的中小橋，其跨越的河道對凈空往往要求較高，因此橋臺設計成為了橋梁設計中的核心，設計過程應制定多種方案進行對比，從結構受力、經濟效益、地質條件等方面綜合比較，選擇最優設計方案。

文章結合通過分析比較，在跨越矩形斷面河道時，采用扶壁式橋臺是較為合理的選擇，可提高橋梁在較厚軟土層中的安全性和耐久性。

由于扶壁式橋臺構造較為復雜，是一個空間受力的框架結構，國內關于這種橋臺的資料較少，筆者通過參考扶壁式擋土墻的受力特點，將橋臺的空間力系簡化為平面力系，結合工程實例對主要受力構件按現行橋梁規范要求進行分析計算。

[1] 曹利民.扶壁式輕型橋臺設計 [J].公路，2005(2).

[2] JTG D60-2015 公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[3] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

The application of buttressed abutment in municipal bridge

ZHENGYufan

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute，Fuzhou 350001)

There were some middle and small bridges designed for river network during the design process of Jinhu Avenue.The soft soil layer under the bridges is thicker.Several different bridge abutment forms were compared from the respects of structure stress, economy and construction in this paper.The buttressed abutment was selected in this project at last.This article briefly introduced the structure and calculating specialty of buttressed abutment.The paper also analyzed the main bearing structural members of buttressed abutment by using different calculation methods.

Municipal bridge; Buttressed abutment; Soft soil foundation; Calculation methods

鄭雨凡(1985.8- )，男，工程師。

E-mail:191637216@qq.com

2017-03-27

TU997

A

1004-6135(2017)06-0113-05