中烈度區(qū)小箱梁橋下部結構設計

楊慶衛(wèi) （同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

我國是一個多地震的國家，抗震設計是橋梁結構設計中必不可少的一環(huán)。簡支變連續(xù)小箱梁橋（以下簡稱小箱梁橋）是常見的一種橋型，其適用性廣泛，可滿足不同墩高、橋寬、跨徑（20～40m）的工程，同時造價相對低廉，施工快速方便，在工程中得到了廣泛應用。

對于小箱梁橋，上部結構設計以參考通用圖[1]為主。由于墩高、橋寬、跨徑的差異，不同項目下部結構差異較大。下部結構和基礎的嚴重破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的主要原因[2]。因此，下部結構設計是小箱梁橋設計中的一個重點。此外，根據多個項目概算成果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：對于小箱梁橋，下部結構的造價一般占總造價40%以上；在中烈度區(qū)（基本地震動峰值加速度值0.1g～0.15g），造價可占到總造價50%以上?？紤]安全性和經濟性，小箱梁橋下部結構設計是設計工作的重點，文章對已有項目進行歸納總結，為類似工程提供參考。

2 小箱梁橋下部結構體系

2.1 下部結構體系

工程中常見的小箱梁橋下部結構體系主要有以下四種：

①橫向布置單根立柱，縱向布置多排樁。多用于橋面較窄的匝道橋，定義為體系A。

②橫向布置多根立柱，縱向布置單排樁。多用于橋面較寬，橋墩高度較矮的橋梁，為體系B。

③橫向布置多根立柱，縱向布置多排樁。多用于橋面較寬，橋墩高度較高的橋梁，為體系C。

④墩梁固結體系。多用于超高墩，應用較少。此類橋梁抗震計算應進行專門研究，不在本文討論范圍內。

2.2 小箱梁橋抗震體系

依據《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166-2011）[3]和《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）[4]，在中烈度區(qū)（0.1g～0.15g），除了道路等級很低的小箱梁橋外，均需考慮E2地震作用進行抗震計算。

橋梁抗震體系主要有[3]：

①延性抗震體系。橋梁的塑形變形、耗能部位位于橋墩。

②減隔震體系。橋梁的耗能部位位于橋梁上、下部連接構件，例如減隔震支座、阻尼器等。

對于小箱梁橋，地震作用引起的水平力可由多個橋墩均攤，同時板式橡膠支座有一定的耗能作用。故減隔震體系在小箱梁橋中應用相對偏少，多采用延性抗震體系。采用減隔震體系的橋梁，下部結構在地震作用下均保持彈性，故設計重點在于減隔震設備的選擇，不再贅述。

以結構體系A'～C為例，根據已有工程設計經驗，闡述中烈度區(qū)蓋梁、立柱、系梁、承臺、樁基的設計要點。

3 下部結構抗震設計要點

3.1 蓋梁

蓋梁為能力保護構件，在E2地震作用下應保持彈性。

對于體系A，橫向采用單柱，在縱向、橫向地震作用下，蓋梁受到的彎矩作用值均較小，不控制設計，按照靜力計算需要設計蓋梁即可。

對于體系B～C，橫向采用多柱，立柱與蓋梁組成一個超靜定體系。在橫向地震作用下，蓋梁受到較大的彎矩、剪力作用。墩頂為立柱塑性鉸潛在區(qū)域，地震作用下受到彎矩較大。蓋梁需保持彈性，故蓋梁抗彎強度應大于立柱超強彎矩。當立柱高度較高，尺寸較大時，蓋梁高度Hg受抗震設計控制，應大于立柱的橫向尺寸BL。

3.2 系梁

當采用體系B～C，且立柱高度較高時，需設置系梁以降低立柱彎矩（系梁設置于樁頂時降低立柱、樁身彎矩）。同時，系梁作為耗能構件，有利于提高整個下部結構的抗震性能。系梁的設計要點：

①系梁高度Hx宜小于立柱橫向尺寸BL；

②系梁側面的鋼筋宜適當加強，保證系梁進入塑形后仍能傳遞軸力；

③系梁深入柱身（樁身）的長度要滿足錨固長度，設計時應統(tǒng)籌考慮鋼筋直徑和立柱（樁基）尺寸。

下部結構示意圖

3.3 立柱

立柱設計是抗震設計的重點。立柱的設計關系到蓋梁、系梁的配筋和尺寸，還很大程度上影響樁基的布置、長度和配筋。立柱設計方案的優(yōu)劣對下部結構經濟性影響很大。

立柱的尺寸設計建議按以下流程進行。

①立柱橫向尺寸BL

立柱橫向尺寸BL確定流程

②立柱縱向尺寸HL

立柱縱向尺寸HL確定流程

由上圖可知，立柱縱向尺寸受到“E1保持彈性”、“E2地震滿足需求”、“經濟性”三個條件制約。一般來說，“E1保持彈性”只要達到目標即可，不需富余，以滿足經濟性。經過多輪迭代、優(yōu)化后，根據經濟性、美觀等內容比選確定。結合體系A'～C，闡述立柱設計要點。

對于體系A：

①由于靜力計算的需要，橫向尺寸BL一般較大，可考慮適當放大橫向尺寸，使得E2橫向地震作用下，立柱仍保持彈性。

②當立柱高度在10m以上，在縱向地震作用下，可考慮采用延性抗震；否則可以加強配筋、增大截面尺寸，使得E2縱向地震下，立柱保持彈性。

對于體系B：

①由于采用一樁接一柱的形式，樁身受到彎矩較大。樁基為能力保護構件，承載能力必須大于立柱且有一定的富余，故樁身抗彎強度要求較高。樁基推薦采用大直徑樁。結合經濟性，本體系適用于地質條件好，巖層埋深較淺的區(qū)域。

②一般適用于墩高≯10m的橋梁?？筛鶕x定的樁基直徑，確定立柱直徑。根據受力形態(tài)，在柱底、柱頂和系梁位置配置較多的受力鋼筋。

4.規(guī)定退押時間，界定退押困難。根據當前科技發(fā)展的程度，銀行轉賬可以做到實時到賬，押金秒退也不應有任何問題，但本著對新型經濟包容的態(tài)度，考慮到租賃用戶眾多，個別企業(yè)技術升級不夠，可適當放寬要求，但當天到賬絕對能做到的。因此建議監(jiān)管當局可規(guī)定企業(yè)原則上秒退，最慢不得超過24小時，24小時押金不到賬，客戶可以投訴。有了對退押時間的規(guī)定，對退押困難的界定，客戶對風險就能做出清晰的判斷，監(jiān)管也有了明確的依據。

對于體系C：體系C適用于各種墩高和寬度的小箱梁橋。此類橋梁下部結構設計一般要經過多輪比選后確定。結合工程算例，介紹設計過程。

某工程采用小箱梁橋，標準跨徑4×35m，橋寬22.6m，墩高約30m，基本地震動峰值加速度值0.15g。下部結構設計過程如下：

①根據蓋梁靜力計算并結合景觀性，橫向采用雙柱；

②在E2橫向地震下試算，確定立柱橫向尺寸和配筋。通過驗算確定系梁尺寸和配筋；

③擬定立柱縱向尺寸，在E1地震下進行試算。根據配筋合理性（例如主筋間距10cm配置單層），修正立柱縱向尺寸；

④E2地震作用下，計算出Me＞＞My（屈服彎矩），確定采用延性設計方案，優(yōu)化構造。結合樁基設計方案比選確定最終尺寸。其中My的求解一般采用軟件進行[5]。

立柱M-Φ曲線

下部結構如下：立柱尺寸2.5（縱橋向）×2.1m（橫橋向）；系梁尺寸2×2m，高度上每隔10m布置一道；蓋梁尺寸2.6×2.6m。見下圖。

總體計算模型 蓋梁柱式墩主要構造（單位：cm）

3.4 承臺、樁基

承臺的設計服從樁基的布置，根據樁基布置和受力按照規(guī)范[6]確定尺寸和配筋。

由于立柱傳遞的彎矩較大，采用延性抗震的橋梁樁基有以下典型的受力工況：

①單樁受到較大軸壓力、較大彎矩作用；

②單樁受到較小軸壓力、較大彎矩作用，處于大偏心受壓狀態(tài)；

③單樁受到一定拉力、較大彎矩作用，處于以受彎為主的拉彎狀態(tài)。

基于混凝土壓彎、拉彎構件的受力特性（受軸壓能力強，抗彎和抗拉能力弱）及上述受力狀態(tài)，樁基的設計可采用以下原則。

①宜減小樁基數(shù)量，采用大直徑樁，以提高單樁抗彎承載力，增大平均軸力。

②拉大樁基間距，以減小單樁所受拉力；樁基的布置還需滿足構造要求，故小直徑樁在抗震設計中有一定劣勢。

③確定樁基直徑和布置后，根據E1地震作用確定樁長。（E2地震下，單樁豎向承載力可提高，一般不控制設計）

樁基造價對總造價影響較大，可對多個樁基布置方案進行經濟性比選后，初步確定方案。

4 結語

在中烈度區(qū)，小箱梁橋得到了廣泛的應用。小箱梁橋的差異主要在于下部結構。統(tǒng)籌考慮安全性和經濟性，在小箱梁橋設計時應對下部結構進行優(yōu)化比選，以達到橋梁安全和經濟原則的統(tǒng)一。

根據不同墩高、橋寬和跨徑小箱梁橋的設計實例，總結了小箱梁橋的常見結構體系，介紹了抗震體系。按照從上到下的順序，介紹了蓋梁、系梁、立柱、承臺和樁基的設計要點和經驗，并結合一個工程算例，講解了下部結構抗震設計過程，為同類型橋梁提供參考。