預制裝配式橋梁下部結構參數優化設計

劉承斌、張輝

（江西省贛南公路勘察設計院，江西 贛州 341000）

0 引言

預制裝配式橋梁作為系統性的工程，在橋梁下部結構設計階段做好結構參數的優化設計，對提高橋梁整體結構的穩定性有著很重要的助力作用。所以，在下部結構參數優化設計階段，要按照工程項目的實際情況做好相關參數的詳細計算，并對涉及的內容進行全面控制，從而提高下部結構的整體性及穩定性。

1 裝配式橋梁下部結構設計

1.1 橋臺設計

在裝配式橋梁下部結構設計過程中，需要做好橋梁結構的設計與指導性工作。在設計環節，要結合裝配式橋梁的具體情況，考慮到地形條件、地貌環境等因素，分析土層結構特性，并對地基情況進行預設。以實際情況分析，橋臺設計環節，必須處理好橋臺與地基之間的關系；預設環節，應綜合分析對稱性效果和實際情況。在橋梁設計階段，既要保證其承載力性能符合要求，滿足運行的安全性和穩定性需求，又要保護生態環境，防止橋臺施工對周圍環境可能造成的任何負面影響，發揮環保特性。設計時，應選擇應用不對稱的結構形式。在橫向與縱向結構特殊的情況下，設計中要做好持力層承載性能的分析工作，保證性能合格。進行橋臺設計前，必須做好地質條件的分析和研究，了解是否存在異常情況，以便展開必要的處理工作。

1.2 橋墩設計

在橋梁的橋墩設計焊接中，樁基設計是重要環節?？紤]到裝配式橋梁橋墩的特點，在了解其具體類型的前提下，可以設計為圓柱橋墩。而在建設時，橋梁的橫坡與縱坡往往比較陡，因而在預設環節應首先確定地質特點，保證裝配式橋梁的基礎結構設計、墩柱底部橋梁形式的穩定性，以便更好地發揮其結構特點，保證橋墩結構的性能合格。橋墩設計一般會采用高樁承臺基礎結構，選擇階梯形的非對稱結構形式，這樣能有效減少邊坡開挖作業量。在預設管理階段，為了有效預防對自然邊坡帶來的負面影響，在橋墩設計中必須考慮到現場的具體情況，分析滑坡、坍塌等嚴重病害問題，總結環境保護的特性和要求，保證橋墩結構性能合格，從而確保橋梁運行的安全性[1]。

1.3 下部結構的設計、計算

1.3.1 蓋梁內力計算

在橋梁結構設計中，蓋梁內力計算起著非常重要的作用，一般會選擇杠桿計算的方式。如果橋梁的荷載是偏心設計的，還要計算受壓參數，并選取最大荷載參數，以確定設計方案，由此確保荷載是均勻分布的，從而消除各種不利因素的影響，保證結構受力性能合格。

1.3.2 橋墩內力計算

橋墩內力計算非常嚴格，尤其是豎向內力計算，計算方法非常復雜。水平內力計算，可以通過柔性墩理論來確定剛度參數，分析、了解車輛制動以及梁體混凝土收縮、徐變、地震等方面帶來的影響，保證水平內力設計科學、合理，彎矩、樁頂的豎向內力設計符合要求。橫向陡坡設計環節，通常要設置2～3 處主橋墩，如果其剛度有偏差，容易導致分布不平衡而發生損壞的問題。

1.3.3 橋臺內力計算

橋臺內力計算時，除了要具備與橋墩類似的荷載外，還要結合土壓、摩擦阻力、搭板自重等方面進行分析，以下幾方面尤其需要注意：軟土地基中基樁混凝土薄壁臺驗算深度參數；軟土地基的橋臺結構和現有路線相交時，應減小橋臺的尺寸，設置必要的伸縮縫，減少受拉長度，避免過大變形，保證工程質量合格；埋置式橋臺一般要以原地面或沖刷線為基礎進行計算。如果土質較差，應該重新驗算，以確保施工結構不會對橋梁運行產生任何影響；通過計算確定路基沉降和滑動數據。首先，橋梁病害問題比較嚴重，容易造成橋梁不均勻沉降或滲水問題，導致穩定性不足。其次，應保證結構承載力參數超出設計標準，如果地質條件較差，應做好滑動驗算分析[2]。

2 工程概況

某橋梁項目總長度為7.65km，該橋梁在整個高架橋項目內占比為68%。標準段部分的橋梁寬度為33m，設計為雙向六車道，為了提高施工速度、減少對環境的影響，最終確定采用預制裝配式混凝土橋梁結構。

2.1 初步設計

該橋梁工程穿越多條城市干道，主要設計難點如下：提高施工效率，加強環境保護；周邊分布著較多的道路與建筑物，土地資源比較短缺；項目的起點與終點和已有線路存在連接，橋梁建設的高度受到限制。為了能夠減少橋下結構的數量，上部結構采用了30m標準跨徑簡支小箱梁結構。由于蓋梁截面尺寸、彎矩都比較大，為了防止占據過大的土地面積，最終選擇了T 蓋梁并在下部安裝矩形墩的結構。依照橋寬和墩柱結構設計形式，選擇了合適的蓋梁尺寸和結構類型。經過對此次設計的驗算分析，技術指標符合要求，但是蓋梁尺寸較大，運輸與吊裝難度較高，需要做出改進和調整[3]。

2.2 方案優化

參數設計環節，頂部高度與上部小箱梁結構的高度存在直接關系，牛腿寬度必須滿足抗震性能標準，這是不能改變的，所以要從其他方面進行優化。設計人員通過有限元軟件構建橋梁下部結構的設計模型，通過對階段抗裂性、正截面抗彎承載力的計算，來確保結構性能和參數符合標準要求。需要注意的是，在進行方案優化的階段中，還需要考慮到預制裝配式橋梁下部結構設計參數的標準要求，對方案的可行性以及經濟性進行深入分析，這樣才能夠提高整體工程的穩定性[4]。

2.2.1 倒T 蓋梁高度優化分析

將蓋梁截面倒T 高度由190cm 依次改為180cm、170cm、160cm、150cm、140cm、130cm、120cm。在組合設計的環節，應考慮到蓋梁的抗裂性及正截面抗彎承載性能方面的檢測結果并加以分析。經過計算、分析后可以確定，隨著倒T 蓋梁高度尺寸需要適當的增大，承載載荷方面符合要求，截面尺寸滿足要求。在蓋梁高度設定為150～160cm 的情況下，各項指標完全達到設計標準要求，且承載性能還有10%～15%的余量。此時，經過計算、分析發現，該方案較之原方案，自重減小了15%～20%。

2.2.2 倒角高度優化分析

將蓋梁截面的倒角高度由60cm 依次改為50cm、40cm、30cm、20cm、10cm、0cm，通過計算、分析發現，在永久荷載截面設計的前提下，最大拉應力參數值會隨著倒角高度的增加而降低，截面彎矩值、需求值等則會隨著倒角高度的增加而增加。分析結構的承載性能時發現，如果倒角高度保持在30～40cm 的范圍內，就可以確保力矩有足夠的余量，還能夠將橋梁的自重降低10%。

2.2.3 上頂寬度優化分析

蓋梁的頂部還要進行預應力張拉計算和分析，上頂寬度較小的情況下容易造成不必要的麻煩，依照結構的整體性設置預應力筋結構，分析、了解數據變化的規律與特性，將蓋梁上頂寬度由120cm 依次改為110cm、100cm、90cm、80cm、70cm、60cm，保證有效控制指標。以計算結論為出發點，隨著蓋梁上頂部的寬度逐步增加，在截面的應力和承載性能參數符合要求的前提下，截面彎矩參數值和能力都有所升高，但截面力矩基本保持固定。此外，由于蓋梁設計是預應力結構，因而必須在現場設置2～3 列預應力鋼束，綜合分析后確定了波紋管以及錨具的尺寸與結構特點，最終確定蓋梁頂部寬度在90～100cm 范圍內為最佳[5]。

2.3 優化方案

經過上述參數的優化與設計分析，只需進行兩個或三個參數的改正，就可以確定標準段蓋梁最優化的設計參數。以指標增量對比參數進行分析，經過多次驗算與分析，并考慮到結構特點，最終得出如下方案：倒T 蓋梁高度為160cm，倒角高度為40cm，蓋梁上頂寬度為100cm。根據計算和對比分析，優化后的設計方案更加理想，各項參數都符合要求，滿足橋梁的運行標準。

3 結構構件抗震設計及抗震措施

包括橋墩、基礎、橋臺、支座和支檔結構在內的下部結構，是預制裝配橋梁震害的主要發生地點，除此之外，下部結構也是造成上部結構震害的主要原因，經常引發移位、落梁等不同的現象。因此，相關的橋梁抗震設計主要以下部結構作為處理對象。所謂抗震單元是抵抗地震能力和適應地震級別的一種部位。至于抗震體系是由整個抗震單元共同參與的，進而達到抵抗地震力和適應地震位移的結構形式。在涉及抗震過程中要以墩柱塑性鉸作為抗震單元，按照縱向和橫向的方向體系，維持墩柱塑性鉸變形的程度，在不同的方向上形成有效的地震慣性力構件，進而更好地抵抗外來作用力的干擾。

3.1 橋墩

橋跨需要采用等跨布置的結構，按照具體的地形特征做好適當的調整，提升橋墩的剛度；在墩臺設計過程中，避免出現設計帶孔的現象，消除突變部分的影響，集中更多的作用力。地震過程中產生的負荷力，需要有墩臺共同承擔，避免因受力過大造成橋墩主體的干擾。之后結合具體的能力保護原則，從墩柱強度出發合理控制基礎和蓋梁的強度。所以要從經濟性考慮，全面嚴格控制墩柱的強度，使其處于相對穩定的狀態之內。墩柱設計的第1 個問題是出于正截面強度的，與之相關的還有縱筋的布置。確保E1 地震作用的等級符合相關的規范，維持下墩柱的完整狀態，使其正截面的強度不能超過內力的最大強度。所以要選擇合適的縱向配筋和構件尺寸。在設計墩柱的過程中，還要關注第2 個塑性鉸延性的問題，其中涉及箍筋的配置問題。至于柱子的箍筋配置，要在滿足最小體積含固率的前提下，箍筋的配置還應該結合地震作用的變形能力提升抗剪強度。高烈度區橋梁按照適當的配置，結合具體的間距大小，使其能夠達到各項要求。美國等西方國家通常會選擇周邊配置環形箍筋的方法，甚至采用螺旋箍筋的方法對相關的問題進行處理。為了能夠實現較高的配箍率，一般會選擇大直徑的箍筋，也可以通過兩根鋼筋并置的方式。日本方面則規定箍筋的直徑要維持在13mm 之上，并在圓形墩柱截面內部配置箍筋，還提出了相關的箍筋配置形式建議。

3.2 橋臺

橫向板塊破壞與背墻背縱向沖撞破壞是橋臺常見的破壞現象。在多方受力的壓力作用下，橋臺背墻的承受臺會出現不同程度的變形。出現地震，橋梁主體結構與橋臺的剛度會產生差異，致使其中的伸縮縫間距拉大，進而發生猛烈的碰撞。倘若背墻截面偏小，強大的沖擊力會使周圍的剪切出現破壞，主梁在縱橋一側失去約束，引起落梁現象。從地震橋梁震感的情況可知，如果橋臺沒有出現較大程度的位移，那么從某種程度上來說，可以保證中小程度橋梁的抗震性能，并引起自身的高度重視。

3.3 基礎

樁頂發生顯著位移，樁頂截面出現破壞等是常見的基礎震害。因為基礎出現損傷和破壞一旦無法得到確認，可能是由于內部損傷造成的。除此之外，一旦基礎出現嚴重的破壞，后期的修復能力也是較弱的。在較好的狀態下，基礎一般不會受到破壞的，通過有效的保護措施，提升墩柱的強度，避免出現嚴重的墩柱破壞現象。按照樁基礎和樁身的自身強度合理控制尺寸，保證不同根數的增加，布置樁頂加密箍筋。

3.4 蓋梁

結合抗震設計的基本尺寸大小，蓋梁尺寸要允許墩梁能夠在可接受的范圍內部進行移動。在梁端至端臺、蓋梁邊緣的位置要保證質量與其保持合適的距離，其最小值要符合相關規范。明確蓋梁的設計要求，使其在地震中不會出現嚴重的破壞，維持具體的保護原則設計；如果結構沒有進行可塑性打造，一旦處于經濟性考慮，那么保護內力也未達到相關的標準。值得關注的是，地震作用下的蓋梁正截面抗彎，要結合墩柱邊緣的具體位置，按照地震彎矩的具體內容對其進行調整升級。在蓋梁下沿主筋配筋量的位置還要結合截面控制的不同，保證靜力條件的完善性。

3.5 系梁

根據相關規定，柱式橋墩和排架墩按照具體的設計實現橫系梁的調整。結合具體的實際情況，維持高橋墩之間的間隙。結合常規設計的構造，按照橫向地震的損傷程度，提升彎曲的強度。一般會結合以下的設計原則推進：一是地震下不會受到破壞，結合具體的計算配筋方式。二是地震下可出現塑性鉸，并在節點內部提升墩柱的強度。

3.6 支座

采用板式橡膠支座，達到預制裝配式橋梁支座的具體規范。不允許板式橡膠支座，對周圍產生剪切破壞，在目前的階段內部是無法實現的。板式橡膠支座和周圍之間形成穩固的錨固，支座與梁之間能夠達到有效的平衡狀態。結合相關的分析結果表明，支座在地震過程中很容易造成損壞，其中橋臺支座的損壞更加明顯。要及時增加支座橡膠層的厚度，按照聚四氟乙烯滑板的框架，達到鉛芯抗震的支座強度，進而保證整體的抗震性能符合規范。

4 結語

本文以某橋梁項目為案例進行分析，通過優化設計的方法對預制裝配式橋梁下部結構參數進行了必要分析，設計方案優化后，各項參數都符合運行要求，試驗驗算后，各項指標達標。實踐可知，對設計方案進行優化和改進的效果比較明顯，橋梁自重也得到有效減少，從而確保運行的質量和標準，此舉不僅對當地的交通狀況改善起到了極為重要的作用，也為今后同類型橋梁的設計和應用帶來了重要影響。