鄭雨凡

(福建省建筑設(shè)計研究院 福建福州 350001)

扶壁式橋臺在市政橋梁中的應(yīng)用

鄭雨凡

(福建省建筑設(shè)計研究院 福建福州 350001)

金湖大道工程設(shè)計中為配合河網(wǎng)建設(shè)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(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)、施工等方面比較，最后選定扶壁式橋臺做為項目的設(shè)計方案，簡要介紹扶壁式橋臺各構(gòu)件的構(gòu)造和計算特點，并結(jié)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(gòu)件采用不同計算方法進(jìn)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(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，呈東西走向，西起城港大道，東至媽祖城環(huán)城路，沿途依次與石化路、通港大道、鐵灶路、荔港大道、學(xué)府路、規(guī)劃路相交，全長5 645.736m。其屬于城市主干道，設(shè)計時速50km/h，城港大道至荔港大道段道路規(guī)劃紅線寬度為28m，雙向4車道；荔港大道至環(huán)城路段道路規(guī)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(dān)著疏港道路過境交通需求，也是湄洲灣北岸經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)南片區(qū)規(guī)劃的“三縱三橫一環(huán)”道路骨架中的“一橫”，是“東城西港”的連接樞紐。

在金湖大道設(shè)計過程中，為配合片區(qū)河網(wǎng)建設(shè)，根據(jù)莆田市濱海新城防洪防潮排澇規(guī)劃報告及項目洪水影響評價報告，沿線共設(shè)置中橋5座，小橋1座。

根據(jù)規(guī)范要求，橋梁設(shè)計過程應(yīng)遵循安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和美觀的原則，同時應(yīng)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(jīng)過比較后，上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)化程度高、施工方便的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，落在河道中的橋墩均采用阻水小的圓形柱式墩。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露，本項目場地地質(zhì)覆蓋有較厚的淤泥質(zhì)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(chǔ)需采用灌注樁基礎(chǔ)。橋梁的上部結(jié)構(gòu)和橋墩形式的方案選定后，根據(jù)項目實際情況選擇合理的橋臺形式成為本項目設(shè)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(hù)岸采用漿砌片塊石擋墻，因此在橋臺設(shè)計中應(yīng)采用具有擋土作用的結(jié)構(gòu)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(jìn)行比較，選定扶壁式橋臺為本項目的設(shè)計方案，并介紹扶壁式橋臺的構(gòu)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(gòu)造圖

樁柱式橋臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，由樁基、蓋梁、耳背墻組成。橋臺構(gòu)造簡單、受力明確，下部工程量小，基坑開挖和支護(hù)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(shè)置錐坡，因此需在臺前設(shè)置擋土墻以銜接河道。在橋臺前設(shè)置擋土墻時，需加大橋梁的布孔長度，從而增加上部結(jié)構(gòu)的梁高和上部結(jié)構(gòu)的工程量；而市政道路的縱斷設(shè)計往往受橋梁設(shè)計高度的控制，因此梁高的加大會造成橋梁范圍標(biāo)高的抬高，進(jìn)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(dāng)，河道開挖過程產(chǎn)生的淤泥流動會使樁基傾斜甚至發(fā)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(jié)構(gòu)連接，下部基礎(chǔ)之間采用支撐梁連接而形成的框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(chǔ)采用單排樁，節(jié)約材料，施工過程開挖的基坑小，施工簡單，造價經(jīng)濟(jì)，因此本方案優(yōu)點明確。

圖2 薄壁式橋臺構(gòu)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(chǎn)生不均勻沉降，從而破壞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與臺身之間連接的施工質(zhì)量均要求很高，實際工程中常因為施工不當(dāng)而產(chǎn)生縱向變形過大、臺身開裂等病害。在運營過程中，根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，橋墩采用蓋梁柱式墩，在橋臺上無法設(shè)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(cè)墻、前墻和基礎(chǔ)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(wěn)定。U型重力式橋臺的優(yōu)點是取材方便，整體性好，剛度大，抗傾覆能力強(qiáng)，臺身可采用片石混凝土或混凝土等圬工材料澆筑而成，構(gòu)造簡單，施工方便，工藝成熟，質(zhì)量易控制。

重力式橋臺的缺點是體積大、重量大，對基礎(chǔ)的承載力要求高，基礎(chǔ)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(xiàn)裂縫，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，這一現(xiàn)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(gòu)造圖

2.4 扶壁式橋臺

圖4 扶壁式橋臺構(gòu)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(cè)墻、承臺、群樁組成，其構(gòu)造特點是沿前墻長方向間距一定長度設(shè)置一道扶壁，從而改善了臺身的受力形式，提高的整體性，優(yōu)點是厚度小、自重輕、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好。通過比較可發(fā)現(xiàn)，扶壁式橋臺的前墻相當(dāng)于薄壁式橋臺的臺身，而增加設(shè)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(jié)構(gòu)來抵抗的，減小結(jié)構(gòu)的彎曲變形，避免薄壁式橋臺常出現(xiàn)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(chǔ)，通過群樁基礎(chǔ)來承受結(jié)構(gòu)的水平、垂直荷載，群樁基礎(chǔ)增加橋臺結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗推剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以可以適用于各種地質(zhì)情況。

但扶壁式橋臺的缺點是構(gòu)造相對復(fù)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(jié)構(gòu)，其作用是擱置上部結(jié)構(gòu)梁底及橋臺搭板，將上部結(jié)構(gòu)和橋臺搭板上的各項荷載傳遞至扶壁上，設(shè)計厚度按60cm，設(shè)計一般采用構(gòu)造配筋。

3.2 側(cè)墻

側(cè)墻設(shè)置在橋臺的兩側(cè)，起到銜接橋梁結(jié)構(gòu)與路基工程及橫向擋土的作用，側(cè)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)墻的寬度需滿足人行道格梁或防撞欄預(yù)埋筋的需求，側(cè)墻長度根據(jù)橋梁兩側(cè)場地的填土高差設(shè)置。側(cè)墻設(shè)計過程主要考慮承受土壓力和活載產(chǎn)生的彎矩，在施工過程中，采取內(nèi)外側(cè)平衡回填、碾壓的施工方法或在外側(cè)設(shè)置支護(hù)的措施，以避免側(cè)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(gòu)件，其間距一般取1/4～1/2臺高，扶壁的厚度根據(jù)扶壁背面的配筋要求，一般為50cm～80cm，扶壁頂、底寬根據(jù)臺帽、承臺的構(gòu)造尺寸擬定[1]。通過分析，扶壁結(jié)構(gòu)承受的各項作用主要有：

(1)永久作用

①支座傳遞的上部結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的自重；

⑤臺后回填土的側(cè)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(cè)壓力；

⑥溫度作用；

⑦支座摩阻力。

(3)地震作用

扶壁結(jié)構(gòu)主要受各項作用的豎向力、水平力以及這些作用產(chǎn)生的彎矩，其受力模型為底部嵌固在承臺的偏心受壓構(gòu)件，計算方法根據(jù)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?qū)⒎霰谂c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(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)[2]4.2.2條規(guī)定采用，此T梁截面按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，其承載力計算應(yīng)符合上述規(guī)范第5.2.3、5.3.6條規(guī)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(jié)構(gòu)，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(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，承載力計算根據(jù)JTG D62-2004規(guī)范[3]5.2.2及5.3.5條規(guī)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(jié)果進(jìn)行比較，K0+675.3中橋上部結(jié)構(gòu)為1孔20m裝配式預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)摩擦角為35°，壓實度不小于95%。取臺身底截面進(jìn)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(yīng)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(yīng)值

根據(jù)現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范對各項作用效應(yīng)按不同設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行組合，得到兩種計算方法作用在每個扶壁結(jié)構(gòu)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(yīng)

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(jié)構(gòu)的前墻起擋土作用，計算時僅考慮土壓力的作用，上部結(jié)構(gòu)豎向作用及其產(chǎn)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(cè)墻和扶壁為支撐的單向連續(xù)板，側(cè)墻處的約束應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)按規(guī)范進(jìn)行組合，計算出承臺底的最不利受力組合，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行承臺配筋、樁基驗算，計算過程此處不再贅述。

4 結(jié)語

為配合城市河網(wǎng)建設(shè)而設(shè)的中小橋，其跨越的河道對凈空往往要求較高，因此橋臺設(shè)計成為了橋梁設(shè)計中的核心，設(shè)計過程應(yīng)制定多種方案進(jìn)行對比，從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)效益、地質(zhì)條件等方面綜合比較，選擇最優(yōu)設(shè)計方案。

文章結(jié)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(gòu)造較為復(fù)雜，是一個空間受力的框架結(jié)構(gòu)，國內(nèi)關(guān)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(jié)合工程實例對主要受力構(gòu)件按現(xiàn)行橋梁規(guī)范要求進(jìn)行分析計算。

[1] 曹利民.扶壁式輕型橋臺設(shè)計 [J].公路，2005(2).

[2] JTG D60-2015 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)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，F(xiàn)uzhou 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