柱式組合橋臺在山區橋梁中的設計研究

高朋

摘要 山區地形陡峭，橋梁布設受限，橋臺時常位于陡峭邊坡處，傳統橋臺往往難以滿足此類橋梁的特殊需求，因此設計出一種安全、經濟、合理、適用的橋臺成為山區橋梁設計的重點。文章以具體工程實例為研究對象，通過闡述其橋梁方案的設計思路，對比多種方案的優缺點，著重探討柱式組合橋臺在此類橋梁中的適用性及優勢，同時，采用Midas Civil對柱式組合橋臺結構受力進行有限元分析。研究表明，柱式組合橋臺是一種安全、經濟、合理的新型橋臺，可為今后位于陡峭邊坡處的橋臺設計提供新思路、新選擇。

關鍵詞 柱式組合橋臺；山區橋梁；有限元；受力分析

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0048-04

0 引言

隨著我國交通強國戰略的實施，公路、鐵路建設迅猛發展，公路修建規模不斷攀升并向山區延伸[1]。山區公路項目中橋梁占比高，數量眾多，其建設常常面臨周期緊張的挑戰?？紤]我國當前的技術、經濟條件，山區公路橋梁中標準化、裝配化的主梁形式占據主導地位[2]，標準化的設計與施工，可以有效提升工程質量，縮短建設周期。我國山區地形陡峭，復雜多變，橋梁時常位于山谷或深路塹處，其布設往往受限。在采用標準跨徑布置的情況下，要么橋臺位于較高填方處，通常采用U形重力式橋臺，病害較多；要么增加一跨橋梁，其邊跨深入挖方路段較長，極其不經濟。此時，如何使橋臺方案設計得更安全、更經濟、更環保，需要因地制宜，綜合考慮，才能做出較科學、合理的設計方案[3]。

1 工程實例

1.1 工程概況

湖南省白果至南岳（含衡山支線）高速公路開云互通位于湖南省衡陽市衡山縣長江鎮石橋鋪社區，其L匝道上跨主線，交叉處路基寬度31.1 m，主線位于路塹路段，坡口寬度為57.4 m，出于行車安全考慮，中央分隔帶不設立橋墩，匝道橋一孔跨越主線，響應該項目標準化設計與施工的理念，上部結構采用1孔40 m預應力混凝土簡支T梁，兩側橋臺均位于陡峭的路塹邊坡上，填高均超過8.8 m，地質覆蓋層為粉質黏土，層厚3 m，地基承載力為200 kPa，下層為強風化泥質灰巖，地基承載力為350 kPa。

1.2 方案比選

由于橋梁上部結構需要跨越該項目的高速公路主線，橋跨不宜前后移動，兩側橋臺填土均較高，且位于路塹邊坡上，臺前不能放坡，選用合適的橋梁方案成為該橋梁設計的重點。為此，選用如下橋梁方案進行比選：

1.2.1 采用重力式U形橋臺

橋臺采用重力式U形橋臺，如圖1所示，重力式U形橋臺是高速公路橋梁一種較為常見的橋臺型式，由臺身（前墻）臺帽、基礎與兩側的翼墻組成，在平面上呈“U”字形，適用于填土8～10 m高度的中等以上跨徑的橋梁。具有構造簡單、基底承壓面大、應力較小、抗水平推力能力強等優點[4]，且臺身和基礎多為圬工材料，取材方便，施工簡單，工程造價較低。但因其臺后填土較高，造成土壓力較大，U形重力式橋臺主要依靠自重來平衡臺后的土壓力，橋臺自身體積很大，其往往存在以下病害：

（1）圬工及開挖量大，對周邊環境造成較大破壞。

（2）現場分層砌筑，施工周期較長。

（3）對基礎地質條件要求較高，該項目經計算所需地基承載力為515 kPa，強風化泥質灰巖地基承載力為350 kPa，不滿足要求，需進行換填處理或者采用樁基U臺，而樁基U臺往往同樣會存在該項其他部分病害。

（4）臺后填土不易壓實，易發生沉降，造成路面下沉破損。

（5）臺內填土容易積水，結冰后凍脹，使橋臺結構產生裂縫[4]。

（6）臺內填土積水會造成回填土的內摩擦角減小，根據規范[5]中主動土壓力標準值計算公式可知，會使μ數值增大，從而增大主動土壓力標準值，即臺后主動土壓力增大，進而更易造成前墻、側墻外傾，使前墻、側墻開裂及前墻與側墻間產生豎向裂縫。

（7）由于重力式橋臺先天性缺陷、基礎不均勻沉降、車輛荷載的沖擊、混凝土收縮徐變及溫度力等影響均會造成臺身結構開裂，如臺身網狀裂縫、側墻水平裂縫及向下的倒三角斜裂縫、前墻豎向貫通裂縫等[6]。

（8）由于臺后土壓力作用導致橋臺前墻前傾，致使背墻與梁板頂死，伸縮裝置失去原有功能，如浙江省金麗溫高速公路金華段上坑寺橋[7]。

1.2.2 兩側各增加一跨橋梁

當橋梁起終點位于陡峭邊坡處時，為了避免高橋臺，以往設計通常選擇在橋跨起點或者終點增加一跨橋梁，采用柱式橋臺，如圖2所示，此方案優點為結構安全穩妥，但增加的橋梁邊跨往深入較長的挖方路段，會存在以下缺點：

（1）開挖、防護工程量較大，增加工程造價。

（2）浪費橋梁主體，極其不經濟。

（3）對周邊環境造成較大破壞，不符合綠色建橋的新理念。

（4）部分山區橋梁位于有潛在地質災害的山體邊坡處，開挖邊坡易誘發溜塌、崩塌、風化剝落、落石及滑動等地質災害，如成武高速平洛河19號大橋、平洛河3號特大橋等[8]。

（5）部分橋梁位于交叉口附近，若增加一跨，橋跨直接進入交叉口，交叉口寬度較寬，橋梁寬度要相應增加，主梁需要做成異形梁[9]，預制橋梁很難滿足其寬度

要求，增加施工難度的同時，也增加了施工周期。

（6）部分橋梁增加橋跨會進入道路交叉口等路線加寬路段，橋梁寬度要相應增加，且預制橋梁很難滿足其寬度要求，增加施工難度的同時，也增加了施工周期。

（7）若為了減少開挖工程量，而將邊跨改為小跨徑，會增加橋梁跨徑類型，增加橋梁模板，增加施工周期，不符合標準化設計施工理念，且邊跨結構為簡支結構，降低行車舒適性。

項目起終點兩側均位于陡峭邊坡處，需要在兩側均增加一跨橋梁，該方案以上缺點弊端尤為突出，不能更好地滿足設計要求。

1.2.3 采用柱式組合橋臺

采用柱式組合橋臺，如圖3所示。柱式組合橋臺是近年來橋梁設計師們根據以往工程實踐需求設計出的一款新型橋臺，由橋臺頂板、背墻、臺帽、蓋梁及前后兩排樁基組成，其橋臺頂板跨徑可以根據現場實際地形進行調整，相較于其他傳統橋臺，在地形陡峭，橋梁布設受限，橋臺位于陡峭邊坡處時，具備其獨有的優點：

（1）頂板跨徑可根據地形調節，可有效避免橋梁過多進入挖方路段，減少對周邊環境破壞的同時，可有效減少開挖、防護工程量，降低工程造價。

（2）柱式組合橋臺解決了臺后擋土問題，其橋臺端部位于填挖交接處，無須設置錐坡的同時可以取消耳墻，減少工程量，從而降低工程造價。

（3）采用框架結構，增加了橋臺的整體性和穩定性，使結構更加安全可靠。

柱式組合橋臺除具備其獨有的優勢外，還保留傳統橋臺的固有優勢，比如：采用樁基設計，對地質條件適應性更強；結構簡單，受力明確，施工方便，工程造價低；等等。因此，柱式組合橋臺相較于方案一、二，具備可以有效避免對山體的過度開挖、后期防護，減少對橋臺周邊環境的破壞，臺身工程量小、施工方便快捷，結構安全耐久等特點，其設計可以更好地符合“綠色建橋”“更安全、更環?！钡痊F代化公路設計理念。

2 結構計算分析

組合式橋臺頂板、臺帽、蓋梁、樁基的驗算，應符合規范[10]的要求。樁基按軸心受壓構件和偏心受壓構件驗算兩次。

柱式組合橋臺計算采用邁達斯程序，全橋整體建模對其進行空間受力分析，橋臺采用梁單元模擬，樁土作用按土彈簧模擬。計算模型結構離散如圖4所示。

2.1 橋臺頂板

橋臺頂板承受汽車活載、結構恒載、溫度荷載、收縮徐變等荷載，其與背墻及蓋梁剛接，跨徑可依據現場地形進行調整，該項目頂板跨徑為8 m，頂板厚度0.8 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置一層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距10 cm。其承載能力極限狀態正截面抗彎承載力和正常使用極限狀態抗裂驗算結果如圖5～6所示。

由計算結果可知，頂板正截面抗彎承載力和抗裂計算均滿足規范要求（斜截面抗剪承載力不控制，未列出）。

橋臺頂板的上部結構恒載、汽車活載等荷載，臺帽梁高1.8 cm，寬2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。

2.2 橋臺臺帽及蓋梁

橋臺臺帽承受結構自重、溫度荷載、收縮徐變、通過支座及背墻傳遞下來的主梁及橋臺頂板的上部結構恒載、汽車活載等荷載，臺帽梁高1.8 cm，寬2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。

橋臺蓋梁承受結構自重、橋臺頂板結構恒載、汽車活載等荷載，蓋梁梁高1.4 cm，寬2.2 m，采用C40混凝土，跨中及支點處均配置兩層直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距15 cm。橋臺臺帽及蓋梁計算內容同橋臺頂板，其計算結果未列出，均滿足規范要求。

2.3 橋臺樁基

樁基為圓柱樁，直徑均為1.8 m，采用C35混凝土。圓形截面偏心受壓構件的正截面抗壓承載力應符合下列規定：

（1）

（2）

（3）

經計算，樁基偏心受壓正截面抗壓承載力滿足規范要求（樁基計算不控制，計算結果未列出）。

3 結束語

柱式組合橋臺已在湖南地區應用多年，該文通過不同方案的比選及對柱式組合橋臺的結構受力分析，再次證明柱式組合橋臺是一種安全、經濟、合理的新型橋臺，其穩定性及整體性好，施工簡便、工程造價低、地質適應性強，在橋臺處于邊坡較陡峭、橋梁布跨受限時具備較傳統橋臺獨有的優勢，具有廣闊的應用前景，可為今后的橋臺設計提供更多的選擇。

參考文獻

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[4]范立礎. 橋梁工程（上冊）第二版[M]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[5]公路橋涵設計通用規范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2015.

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[9]白興蓉. 框架式橋臺在工程應用中的分析研究[J]. 黑龍江交通科技， 2016（4）： 96-97.

[10]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.