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[摘 要] 桥梁下部结构的设计方案对桥梁结构的安全和使用功能影响十分显著,合理的选型能够使上、下部结构协调一致,轻巧美观。本文围绕桥梁下部结构的选型、设计计算的依据及影响桥墩稳定的若干因素等方面展开阐述,可供参考。
[关键词] 桥梁 结构 桥墩 设计
桥梁结构是一个整体,上下部结构协同工作、相互影响。毫无疑问,下部结构的设计方案对桥梁结构的安全和功能影响十分显著。合理的选型能够使上、下部结构协调一致,轻巧美观。桥墩位于横跨和基础之间,支承着桥梁上部结构的荷载,并将它传给地基基础。桥墩除承受上部结构的竖向压力和水平力外,墩身还要承受水平力的作用,如风力、流水压力及冰块、船只和漂流物的撞击力等。因此,桥墩必须具备足够的强度和稳定性,以免发生强度破坏或发生过大位移和转动。
1.桥墩的结构类型
按照桥墩与上部结构的连接方式,桥墩可以划分为整体式和悬臂式;按照桥墩截面形状的不同,桥墩可以分为实心墩、空心墩、圆形墩、八边形墩和矩形墩等;按照其建筑轮廓则可以分为单柱和复式柱排架、倒梯形墩墙等。一般地,实心桥墩用在水路桥梁,按细长和流线形的比例建成,对于洪流,这些截面产生的阻力较小,利于排洪。由于空间的局限性,市区桥梁经常用倒梯形桥墩,用于支撑钢梁和装配式的预应力混凝土上部结构。排架墩柱是由帽梁和支撑柱构成,可用于支撑钢梁上部结构或用做现浇施工的整体墩。墩柱的截面可采用圆形或矩形,目前,墩柱是一种较为流行的桥墩形式。桩墩是由钻孔桩基础和按照圆柱从桩身扩展而形成的下部结构组成的,这种墩的优点是占用空间较小。桥墩形式的选择是建立在功能、结构和轮廓要求的基础上。上部结构的类型是首要影响因素,如钢梁上部结构一般支撑在悬臂墩上,而现浇混凝土上部结构一般支撑在整体排架上。此外,桥梁是否跨越水路也是桥墩选择中要考虑的因素。跨越江河的桥梁,优先选用墩墙。墩高也会对桥墩类型的选择有影响,为减少下部结构的重量,高墩常用空心截面。
2.设计计算依据
如前文所述,桥墩的设计必须满足强度和稳定性的要求。桥墩承受轴力、剪力和弯矩的联合作用。墩的抗弯强度和轴力有关。在墩的塑性区域,剪力强度也受弯曲影响。对于复杂的情况,还要考虑P-Δ效应的影响。
2.1墩台盖梁内力计算
墩台盖梁内力计算可先画出各截面内力影响线,再对影响线用杠杆法及偏心法进行最不利横向布载,求出各截面内力最大、最小值,然后根据内力包络图进行结构配筋。也可采用如下简化计算:对多支座的板、T 梁、箱梁桥的盖梁计算,按活载直接作用于由墩台简化成的连续梁上进行计算,不考虑活载及二期恒载的横向分布作用。两种计算方法均可保证结构的稳定性。
2.2桥墩内力计算
桥墩桩顶的最大竖向力计算相对较为简单,可参考2.1。水平力计算可运用柔性墩理论中的集成刚度法,将桥面汽车制动力及梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震等引起的水平力在全联墩台中进行分配,而后根据不同组合的墩桩顶水平力、弯矩以及相应的桩顶竖向力进行桩基各截面内力的计算。
2.3盖梁配筋方法
盖梁的抗弯配筋主要是由裂缝宽度所控制的,剪力设计中则对混凝土与箍筋承担剪力比例作了明确规定,这样梁体往往需要设置大量斜剪力钢筋,给梁内布筋带来困难,配筋时经常通过多设箍筋,让混凝土与箍筋承担更多比例的剪力,使配筋自由度更大。盖梁配筋中要注意“强剪弱弯”,因为大部分梁体的破坏是由剪力不足所造成的,对抗弯钢筋,满足要求即可。实际设计中,对抗剪钢筋一般留有富余,以确保安全。
2.4桩基配筋方法
对于桩基各截面的配筋,从理论上来说应根据桩内弯矩包络图进行计算布置。通常是根据最大负弯矩处进行配筋,从桩顶一直伸到最大负弯矩一半处以下一定锚固长度位置,减少一半配筋再一直伸至弯矩为零以下一定锚固长度位置,再以下为素混凝土,对于软基,桩主筋最好穿过软土层。在桩基变形较大的情况下,计算应同时考虑桩土特性及受力条件,以整体体系来分析桩的受力模式。当桩基水平变形量超出“m”法的限制范围时,地基土抗力系数m值宜采用实测值。由于“m”法基本假定与大变形量桩基受力模式存在偏差,也可以考虑其它更接近于该类桩基受力模式的计算方法进行对比计算。
3.桥墩桩基稳定性的影响因素
桥墩桩基的承载能力是由两方面所控制的,其一是桩自身强度不足而破坏;其二是桩侧土体对桩的水平抗力不足导致土体首先发生屈曲破坏,而后桩发生失稳破坏。设计中,对第一种情况比较重视,第二种情况则缺乏精细的考虑。笔者认为,对于地质条件复杂的地区,桥墩桩基失稳问题必须给予足够的重视,设计中可以从如下几个方面来考虑:
3.1桩周土的性质
当桥墩桩基出现横向变形时,土体会对土中的基桩产生水平抗力,可认为土体给桩身提供了水平方向的约束作用。桥墩在屈曲过程中,若其水平位移受到约束,则屈曲破坏的发生将会受到阻碍。由此可见,桩周土的特性与桥墩桩基的屈曲是密切相关的。在不同土层中桩周土体对基桩的握裹作用也是不同的,较软的土体对基桩的约束肯定弱于较硬土体对基桩发生屈曲的约束。设计中,应分析土体特性对桥墩桩基稳定性的影响。
3.2 墩顶约束条件
桥墩桩基在受荷过程中,会产生相应的位移和转角,如果在高桥墩桩基的两端对桩身和墩身变形进行约束,限制变形的发展,可以对桥墩桩基屈曲的发生起到限制。经典弹性理论表明,墩顶、桩端的约束程度越强,则桥墩桩基屈曲计算长度就越小,相应的屈曲临界荷载就越大,也就越不容易出现屈曲破坏。由于墩顶橡胶支座的约束,桥墩顶部的约束条件将由自由变换为铰支乃至固定。桥墩桩基发生屈曲的临界荷载要比墩端自由的桥墩桩基屈曲临界荷载要大得多。在分析桥墩桩基的屈曲时,必须考虑橡胶支座约束的影响。
3.3墩顶承台
工程中多采用群桩基础,特别是对于桥梁工程中的多根或多排式桩基,承台板的刚度通常较大,受荷后变形特别是竖向挠曲现行非常小,能调整各基桩的受力,如受荷小的基桩藉承台板对受力大的基桩屈曲起到阻碍作用,也就是说,承台板这种调整约束作用将增强基桩的屈曲稳定能力另外,承台也约束了桩顶和桥墩底部的位移和转角,可以对桥墩桩基屈曲的发生起到限制。
3.4群桩效应
采用多根或多排的群桩基础,由于基础承台板具有较大刚度,当承受荷载时,承台的变形和基桩相比是非常小的,特别是承台板的竖向变形。由于承台和桩基的变形不协调,它们之间会产生较大的相互作用力,一般的,承台对桩顶的这种作用可以对基桩的屈曲起到约束作用,从而提高基桩屈曲临界荷载。另外,群桩中各桩的受力状况不同,受力较小的桩可通过承台板分担其他桩的荷载,从而提高基桩的屈曲荷载。工程实践中通常认为,若桩基按单桩进行屈曲分析结果安全,则该桩在桩基中也是安全的,但若按单桩分析结果不安全,则不能认为该桩在桩基中就不安全。也就是说,在屈曲分析中,应该考虑承台的有利影响。
4.结束语
从事公路桥梁设计的技术人员,不仅要熟悉和精通桥梁设计的基本理念,还应尽量多地掌握一些基本的地质知识,与地质技术人员多沟通、协作。设计中应充分了解当地的地形、工程地质条件等,以便科学、合理、可靠地进行桥梁下部结构的设计。
参 考 文 献
[1] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2] 胡人礼.桥梁桩基础分析和设计[M].北京:中国铁道出版社,1987.
[3] 曾国熙.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994■
[关键词] 桥梁 结构 桥墩 设计
桥梁结构是一个整体,上下部结构协同工作、相互影响。毫无疑问,下部结构的设计方案对桥梁结构的安全和功能影响十分显著。合理的选型能够使上、下部结构协调一致,轻巧美观。桥墩位于横跨和基础之间,支承着桥梁上部结构的荷载,并将它传给地基基础。桥墩除承受上部结构的竖向压力和水平力外,墩身还要承受水平力的作用,如风力、流水压力及冰块、船只和漂流物的撞击力等。因此,桥墩必须具备足够的强度和稳定性,以免发生强度破坏或发生过大位移和转动。
1.桥墩的结构类型
按照桥墩与上部结构的连接方式,桥墩可以划分为整体式和悬臂式;按照桥墩截面形状的不同,桥墩可以分为实心墩、空心墩、圆形墩、八边形墩和矩形墩等;按照其建筑轮廓则可以分为单柱和复式柱排架、倒梯形墩墙等。一般地,实心桥墩用在水路桥梁,按细长和流线形的比例建成,对于洪流,这些截面产生的阻力较小,利于排洪。由于空间的局限性,市区桥梁经常用倒梯形桥墩,用于支撑钢梁和装配式的预应力混凝土上部结构。排架墩柱是由帽梁和支撑柱构成,可用于支撑钢梁上部结构或用做现浇施工的整体墩。墩柱的截面可采用圆形或矩形,目前,墩柱是一种较为流行的桥墩形式。桩墩是由钻孔桩基础和按照圆柱从桩身扩展而形成的下部结构组成的,这种墩的优点是占用空间较小。桥墩形式的选择是建立在功能、结构和轮廓要求的基础上。上部结构的类型是首要影响因素,如钢梁上部结构一般支撑在悬臂墩上,而现浇混凝土上部结构一般支撑在整体排架上。此外,桥梁是否跨越水路也是桥墩选择中要考虑的因素。跨越江河的桥梁,优先选用墩墙。墩高也会对桥墩类型的选择有影响,为减少下部结构的重量,高墩常用空心截面。
2.设计计算依据
如前文所述,桥墩的设计必须满足强度和稳定性的要求。桥墩承受轴力、剪力和弯矩的联合作用。墩的抗弯强度和轴力有关。在墩的塑性区域,剪力强度也受弯曲影响。对于复杂的情况,还要考虑P-Δ效应的影响。
2.1墩台盖梁内力计算
墩台盖梁内力计算可先画出各截面内力影响线,再对影响线用杠杆法及偏心法进行最不利横向布载,求出各截面内力最大、最小值,然后根据内力包络图进行结构配筋。也可采用如下简化计算:对多支座的板、T 梁、箱梁桥的盖梁计算,按活载直接作用于由墩台简化成的连续梁上进行计算,不考虑活载及二期恒载的横向分布作用。两种计算方法均可保证结构的稳定性。
2.2桥墩内力计算
桥墩桩顶的最大竖向力计算相对较为简单,可参考2.1。水平力计算可运用柔性墩理论中的集成刚度法,将桥面汽车制动力及梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震等引起的水平力在全联墩台中进行分配,而后根据不同组合的墩桩顶水平力、弯矩以及相应的桩顶竖向力进行桩基各截面内力的计算。
2.3盖梁配筋方法
盖梁的抗弯配筋主要是由裂缝宽度所控制的,剪力设计中则对混凝土与箍筋承担剪力比例作了明确规定,这样梁体往往需要设置大量斜剪力钢筋,给梁内布筋带来困难,配筋时经常通过多设箍筋,让混凝土与箍筋承担更多比例的剪力,使配筋自由度更大。盖梁配筋中要注意“强剪弱弯”,因为大部分梁体的破坏是由剪力不足所造成的,对抗弯钢筋,满足要求即可。实际设计中,对抗剪钢筋一般留有富余,以确保安全。
2.4桩基配筋方法
对于桩基各截面的配筋,从理论上来说应根据桩内弯矩包络图进行计算布置。通常是根据最大负弯矩处进行配筋,从桩顶一直伸到最大负弯矩一半处以下一定锚固长度位置,减少一半配筋再一直伸至弯矩为零以下一定锚固长度位置,再以下为素混凝土,对于软基,桩主筋最好穿过软土层。在桩基变形较大的情况下,计算应同时考虑桩土特性及受力条件,以整体体系来分析桩的受力模式。当桩基水平变形量超出“m”法的限制范围时,地基土抗力系数m值宜采用实测值。由于“m”法基本假定与大变形量桩基受力模式存在偏差,也可以考虑其它更接近于该类桩基受力模式的计算方法进行对比计算。
3.桥墩桩基稳定性的影响因素
桥墩桩基的承载能力是由两方面所控制的,其一是桩自身强度不足而破坏;其二是桩侧土体对桩的水平抗力不足导致土体首先发生屈曲破坏,而后桩发生失稳破坏。设计中,对第一种情况比较重视,第二种情况则缺乏精细的考虑。笔者认为,对于地质条件复杂的地区,桥墩桩基失稳问题必须给予足够的重视,设计中可以从如下几个方面来考虑:
3.1桩周土的性质
当桥墩桩基出现横向变形时,土体会对土中的基桩产生水平抗力,可认为土体给桩身提供了水平方向的约束作用。桥墩在屈曲过程中,若其水平位移受到约束,则屈曲破坏的发生将会受到阻碍。由此可见,桩周土的特性与桥墩桩基的屈曲是密切相关的。在不同土层中桩周土体对基桩的握裹作用也是不同的,较软的土体对基桩的约束肯定弱于较硬土体对基桩发生屈曲的约束。设计中,应分析土体特性对桥墩桩基稳定性的影响。
3.2 墩顶约束条件
桥墩桩基在受荷过程中,会产生相应的位移和转角,如果在高桥墩桩基的两端对桩身和墩身变形进行约束,限制变形的发展,可以对桥墩桩基屈曲的发生起到限制。经典弹性理论表明,墩顶、桩端的约束程度越强,则桥墩桩基屈曲计算长度就越小,相应的屈曲临界荷载就越大,也就越不容易出现屈曲破坏。由于墩顶橡胶支座的约束,桥墩顶部的约束条件将由自由变换为铰支乃至固定。桥墩桩基发生屈曲的临界荷载要比墩端自由的桥墩桩基屈曲临界荷载要大得多。在分析桥墩桩基的屈曲时,必须考虑橡胶支座约束的影响。
3.3墩顶承台
工程中多采用群桩基础,特别是对于桥梁工程中的多根或多排式桩基,承台板的刚度通常较大,受荷后变形特别是竖向挠曲现行非常小,能调整各基桩的受力,如受荷小的基桩藉承台板对受力大的基桩屈曲起到阻碍作用,也就是说,承台板这种调整约束作用将增强基桩的屈曲稳定能力另外,承台也约束了桩顶和桥墩底部的位移和转角,可以对桥墩桩基屈曲的发生起到限制。
3.4群桩效应
采用多根或多排的群桩基础,由于基础承台板具有较大刚度,当承受荷载时,承台的变形和基桩相比是非常小的,特别是承台板的竖向变形。由于承台和桩基的变形不协调,它们之间会产生较大的相互作用力,一般的,承台对桩顶的这种作用可以对基桩的屈曲起到约束作用,从而提高基桩屈曲临界荷载。另外,群桩中各桩的受力状况不同,受力较小的桩可通过承台板分担其他桩的荷载,从而提高基桩的屈曲荷载。工程实践中通常认为,若桩基按单桩进行屈曲分析结果安全,则该桩在桩基中也是安全的,但若按单桩分析结果不安全,则不能认为该桩在桩基中就不安全。也就是说,在屈曲分析中,应该考虑承台的有利影响。
4.结束语
从事公路桥梁设计的技术人员,不仅要熟悉和精通桥梁设计的基本理念,还应尽量多地掌握一些基本的地质知识,与地质技术人员多沟通、协作。设计中应充分了解当地的地形、工程地质条件等,以便科学、合理、可靠地进行桥梁下部结构的设计。
参 考 文 献
[1] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2] 胡人礼.桥梁桩基础分析和设计[M].北京:中国铁道出版社,1987.
[3] 曾国熙.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1994■