高填土橋臺彎矩歸零設(shè)計(jì)法

周濤

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

在某些特定的設(shè)計(jì)條件下，如跨越高速公路或地面道路，在保證凈空的前提下，為控制工程造價(jià)，需要盡量縮短橋梁長度，則會(huì)導(dǎo)致高填土橋臺的出現(xiàn)。

隨著填土高度的增加，臺后土壓力的迅速增大，為保證樁基的均衡受力和控制樁基的水平位移，除了樁基的布置、間距、承臺的尺寸等因素外，關(guān)鍵是如何確定承臺相對橋臺臺身的位置。本文基于西安某道路改造工程，闡述了高填土橋臺的彎矩歸零實(shí)用設(shè)計(jì)方法，形成了較優(yōu)的設(shè)計(jì)成果，也為此類橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒參考意義[1,2]。

1 工程背景

西安某道路改建工程，為跨越橫向道路，布置了單跨24 m的簡支小箱梁，梁高1.4 m，為保證橋下凈空，路面到承臺頂附土平均高度為9.5 m，其立面和橫斷面見圖1。

為提高橋臺的穩(wěn)定性，橋臺為直臂肋板式，臺身厚度1.2 m，肋板厚度0.9 m，中心間距4.5 m；橋臺承臺厚度2.0 m；承臺下設(shè)置兩排直徑1.5 m樁基，樁基間距5.0 m；樁基梅花布置，臺前6根，臺后4根。

2 荷載工況和計(jì)算模式

高填土橋臺的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，如何使臺后樁基在極限受力狀態(tài)下不出現(xiàn)負(fù)拉力，并盡量有一定的壓力儲(chǔ)備，同時(shí)要滿足樁基位移的驗(yàn)算。

圖1 橋臺斷面圖（單位：cm）

橋臺承臺底也即樁基頂所受的力可以分為彎矩M、軸力N、水平力F。對于不同的荷載工況，軸力N與水平力F在量級上相差不大，唯一可調(diào)整的參數(shù)是彎矩M，基于此出發(fā)點(diǎn)，本文提出了彎矩歸零的設(shè)計(jì)方法。

橋臺的受力可以分為如下幾種荷載工況：

（1）橋上、臺后均無車；

（2）橋上有車、臺后無車；

（3）橋上無車、臺后有車；

（4）橋上、臺后均有車。

基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬定了橋臺承臺尺寸和樁基布置后，承臺底（樁基頂）所受彎矩M則與承臺在順橋向的位置密切相關(guān)，將承臺中心和墩身中心的距離設(shè)為參數(shù)x，見圖2。

圖2 計(jì)算圖示（單位：cm）

由于橋臺受力分為上述的不同工況，要使所有工況下彎矩M均為理想狀態(tài)（歸零）是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是通過定性分析可知，工況三狀態(tài)下，橋臺所受的水平力F相對較大，是受力較為不利的工況，因此控制此工況下彎矩歸零，確定橋臺承臺在順橋向的尺寸x，再來驗(yàn)算其他工況下橋臺樁基的受力是否滿足規(guī)范要求。

工況三及圖示橋臺布置下，橋臺所受彎矩可以分為往臺后方向的彎矩（正）及往臺前的彎矩（負(fù)）兩部分，單位均為kN·m。

（1）臺后方向正彎矩（按照圖示計(jì)算模式，臺后正彎矩主要由承臺上填土產(chǎn)生，假定x=0.8 m作為迭代計(jì)算初始值）：M1=32 676。

（2）臺前方向負(fù)彎矩：

a.臺后有車土壓力（車輛和土疊加）產(chǎn)生的彎矩：M2=-27 870x；

b.橋臺臺身產(chǎn)生的彎矩：M3=-6 926（x-0.2）；

c.上部恒載產(chǎn)生的彎矩：M4=-3 374（x-0.29）。

使此彎矩合力為零，則可以得到x=0.892，最終取值x=0.9 m。

3 計(jì)算結(jié)果

按照x=0.9 m，得到各個(gè)工況下承臺底（樁基頂）所受的力為（軸力向下為正，彎矩往臺后方向?yàn)檎?，水平力往臺后方向?yàn)檎?，見?。

表1 不同工況下樁基頂受力

由表1的計(jì)算結(jié)果可知，彎矩相對軸力、水平力量級都是較小的，也基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，通過m法來計(jì)算樁基的作用效應(yīng)及位移，結(jié)果見表2。

表2 m法計(jì)算的樁基效應(yīng)及位移

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，前后兩排樁受力較為均勻，水平向位移數(shù)值也相對較小，結(jié)果較為理想。

需要注意的是，對于橋上有車的工況，應(yīng)計(jì)入汽車沖擊力+溫度力（或者是支座摩阻力，兩者取小值）的影響，本文未詳細(xì)展開。

4 結(jié)論

高填土橋臺設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何控制臺后樁基的豎向力不要過小，同時(shí)需要控制樁基的水平位移，本文是基于用承臺上填土來抵抗臺后填土水平力和彎矩的出發(fā)點(diǎn)，提出了彎矩歸零的設(shè)計(jì)方法，簡單易操作且最終設(shè)計(jì)成果合理可靠。

（1）對于高填土橋臺，樁基豎向承載力并非設(shè)計(jì)的控制因素，關(guān)鍵是如何使臺前、臺后的樁基受力均勻且水平位移較小。彎矩歸零設(shè)計(jì)法較好的解決了這兩個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

（2）本文的設(shè)計(jì)思路是在小樁號側(cè)橋臺臺身、承臺成“倒L”形狀，大樁號側(cè)橋臺成“L”形，利用承臺上填土產(chǎn)生的有利彎矩來抵抗臺后填土水平力、梁體恒載、活載等彎矩。理論上，加大承臺尺寸會(huì)使承臺上填土產(chǎn)生的有利彎矩同時(shí)增大，但是造價(jià)會(huì)相應(yīng)增加。

[1]何延全,蘭日彥,何世超.中小跨徑橋梁高填土橋臺合理結(jié)構(gòu)型式淺析[J].西部交通科技,2014(10)：1-4.

[2]廖顯東.高填土路堤對橋臺樁基作用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2007.