桥梁下部结构设计计算探讨

摘要：桥梁下部结构设计计算对桥梁结构的安全和使用功能影响十分显著，合理的结构设计使桥梁上、下部结构协调一致，轻巧美观。本文以吉林省长春市两横两纵快速路桥梁下部结构为例，围绕桥梁下部结构的选型、设计、计算及影响桥梁稳定的若干因素等方面展开阐述，可供参考。

关键词：桥梁下部；结构设计；计算

Abstract: The substructure of bridge design and calculation has influence on bridge structure safety and using function, reasonable structural design makes the bridge substructure, coordinated, lightweight appearance. This paper takes Jilin province Changchun two horizontal and two vertical expressway bridge substructures for example, described around the bridge lower structure type selection, design, calculation and the effect of some factors such as the bridge stability aspects, for reference.

Key words: substructure; structure design; calculation

中图分类号：U433.2 文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

桥梁下部结构直接承担着传递上部荷载的作用，其结构设计、计算等在整个桥梁设计中占有关键性的位置。本文以吉林省长春市两横两纵快速路桥梁下部结构为例， 桥梁下部概况如下：

盖梁采用双墩柱小悬臂盖梁，盖梁截面采用变截面矩形截面，截面尺寸1.5×1.5～1.5×0.5m；桥墩采用双柱式桥墩（无系梁），桥墩截面采用圆形截面，直径1.7米；承台尺寸8×6×1.5 m ；桩基采用双排桩，每排3根，间距2m，桩径1m。

结合项目的特点，以及其结构设计、计算的内容和结果等，总结出个人意见如下：

2 桥墩结构型式选用

桥墩的结构类型按不同的分类方式划分为不同的类型。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，排架墩柱是一种较为流行的桥墩形式。排架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。

综上依据，长春市两横两纵高架桥采用双墩排架墩柱。

3 盖梁、墩柱、桥台的设计、计算

3.1盖梁内力计算

《墩台设计手册》中的算例对墩台内力按下列方法计算：当荷载对称布置时，按杠杆法计算；当荷载偏心布置时，按偏心压力法计算。两种布载状况的内力取大值控制设计。这种算法没有真正体现规范用意，仅为两种布载方法下的内力计算，而不是各截面最不利状态的内力计算，所算内力存在着不安全因素。

精确做法应该是将盖梁类似于上部结构主梁一样进行计算，采用通用计算程序进行建模分析。在建模时，盖梁的支承条件很难精确模拟，因为其受到墩柱及基础的刚度影响，所以为了减小误差，对于一些能将墩柱模拟进去的建议将墩柱一起模拟，然后在墩柱底进行边界约束。

图1所示为运用有限元软件进行计算的几何模型，这也可以方便后面墩柱和桩基础的计算。

图1 桥博盖梁计算几何模型

盖梁上作用的荷载包括上部结构一期、二期恒载、活载以及自重。在计算活载时，对于简支梁，直接是在相邻两跨的跨长上利用杠杆法得到盖梁支座处的支反力，然后对盖梁进行横向加载；对于连续梁，如果已计算了上部结构的支反力，则直接取作用于该桥墩上的最大活载支反力作用于盖梁上即可；至于没有对上部结构进行分析的状态，则可以采用一种简化方法进行计算支反力，即按简支梁在相邻两跨内利用杠杆法得到作用于盖梁的支反力，然后乘以放大系数，再对盖梁加载。

在进行盖梁横向加载时，应根据柱底或支承处支反力考虑车道数偏载，得到盖梁各控制截面(一般包括悬臂根部、跨中和支点截面)的最不利内力组合进行设计或验算。

长春市两横两纵高架桥盖梁计算结果如下：

（1）长期效应组合和短期效应组合下，中横梁均未出现拉应力；在标准值效应组合下最大压应力为9.5Mpa；

（2）在荷载基本组合下，中横梁和端横梁最大抗力大于最大内力，最小抗力大于最小内力，承载能力极限状态结构能够满足受力要求；

（3）在短期效应组合下，端横梁裂缝宽度满足规范要求。

3.2墩柱内力计算

桥梁墩柱根据其受力特点，大部分都属于偏心受压构件。偏心受压构件在弯矩、轴力共同作用下，截面的极限承载能力随弯矩与轴力的比值，即偏心距e0变化而变化。大截面极限承载能力时的弯矩MR与NR轴力的曲线关系如图2所示。

图2偏心受压构件MR-NR相关图

注：(OB一短柱，材料破坏；OC一长柱，材料破坏；OE一细长柱，失稳破坏；OF一eo很大柱，类似弯曲破坏)

对于一般桥梁结构的桥墩，除去一些特殊高墩桥外，均属于短柱范围，由图2可见，对于短柱，M与N呈线性关系；对于中长柱，M与N呈非线性关系，NR随MR增大有所降低。根据MR一NR相关图可知：对小偏心受压构件：NR随MR减小而增大；对大偏心受压构件：NR随MR增大而增大，增大到最大的MR后即界限破坏后减小。

所以，在进行墩柱设计或验算时，应根据偏心受压构件的受力特点来确定其最不利受力状态所对应的内力值。作用在墩柱上的力，竖向力主要来自上部结构的一期及二期恒载、活载，对于有盖梁的还包括盖梁的恒载及墩柱自身重力；水平力主要为桥面汽车制动力，支座摩阻力，梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震产生的水平力的不利组合；弯矩由以上竖向力偏心力矩和水平力力矩组成。

主桥立柱最不利位置为固定支座所在桥墩处，汽车制动力按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）4.3.6 规定取值。长春市两横两纵高架桥该处汽车制动力为：(15×99+300) ×0.1×6×0.55/2=294.5(kN)。

（1）在正常使用极限状态短期效应组合作用下立柱的最大反力：

桥墩：N=2.59×KN，立柱高度：l=8.8m，故有立柱底的弯矩:

M＝294.5×8.8=2.59×KN.m。

取立柱根部截面进行验算。

（2）承载能力极限状态计算结果：

①最大轴力强度验算

截面受力性质: 下拉偏压

内力描述: Nj = 3.11e+04 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 3.11e+03 KN·m

截面抗力: NR = 9.23e+04 KN >= Nj =3.11e+04 KN(满足)

②最小轴力强度验算

截面受力性质: 下拉偏压

内力描述: Nj = 2.59e+04 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 2.59e+03 KN·m

截面抗力: NR = 9.23e+04 KN >= Nj =2.59e+04 KN(满足)

③最大弯矩强度验算

截面受力性质: 下拉偏压

内力描述: Nj = 3.11e+04 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 3.11e+03 KN·m

截面抗力: NR = 9.23e+04 KN >= Nj =3.11e+04 KN(满足)

④最小弯矩强度验算

截面受力性质: 下拉偏压

内力描述: Nj = 2.59e+04 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 2.59e+03 KN·m

截面抗力: NR = 9.23e+04 KN >= Nj =2.59e+04 KN(满足)

⑤上缘:

长期荷载弯矩: M = 2.59e+03 KN·m

全部使用荷载弯矩: Mo = 2.59e+03 KN·m

长期荷载裂缝宽度: df = 0.0 mm

容许裂缝宽度: dfo = 0.2 mm

上缘抗裂性验算满足

⑥下缘:

长期荷载弯矩: M = 2.59e+03 KN·m

全部使用荷载弯矩: Mo = 2.59e+03 KN·m

长期荷载裂缝宽度: df = 0.0 mm

容许裂缝宽度: dfo = 0.2 mm

下缘抗裂性验算满足.

3.3桥台内力计算

桥台除了受与桥墩相似的荷载之外，竖向荷载还增加了土压力、负摩阻力、搭板自重等荷载；水平荷载增加了土压力，其影响复杂，设计时需注意以下几点：

(1)内力计算应注意的问题。①软土地基上带基桩的钢筋混凝土薄壁桥台土压力计算按深层考虑。②软基路段桥台应尽量设置为与路线正交的形式，减小台身长度，在适当的位置设置伸缩缝，以缩短受拉区长度，减小台身混凝土的收缩变形量，抑制台身的竖向、斜向裂缝的发生。③在桥台的承台或基础顶面应设置一定数量的支撑梁，削减基础及下部结构的自由长度，降低结构自身的弯矩，提高结构承载能力。④软基段落的中、小桥，台前、台后均应进行一定长度的软基

图3桥台计算图

处理过渡，避免因桥头软基滑移或施工过程不对称加载引发的其他附加荷载对桥台及桩基产生的挤压，造成桥台水平开裂。⑤在薄壁墩台的拉应力区，应配置受拉钢筋，尤其是在靠近台身底部(1/4～1/3)H附近，应根据实际受力情况增配钢筋，同时，水平钢筋与竖向钢筋搭接处应点焊成网格状。

(2)埋置式桥台土压力一般是以原地面或一般冲刷线起计算，对较差土质，需要进行验算，确定是否考虑地面以下台后深层土对桩水平力的影响。台后一定要选用透水性强、强度高、稳定性好的材料，否则渗水后摩擦角及粘结力下降，自重增加，台后实际受土压力远远大于设计值，使桥台产生滑移、失稳。

(3)桥头路基沉降、滑动验算。首先，路基沉降过大、桥头跳车、台背和梁端过早损坏，加大竖向土压力及负摩阻力，造成桥台盖梁开裂及桩基不均匀下沉、路面开裂及路基渗水，促使路基失稳。其次，由于路基滑动使桥台所承受的水平土压力已远大于计算值，对于桥头高路基和处于改河、填沟段或路基外不远处有沟、河的，更要注意深层滑动的验算。

(4)长春市两横两纵高架桥桥台计算图示如图3所示。

4 桩基承载能力的影响因素

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，导致土体在发生屈曲破坏后桩基发生失稳破坏。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。

对于地质条件复杂的地区，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：

4.1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，墩项、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。

4.2桩顶承台

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非常小，能调整各基桩的受力，如受荷小的基桩及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，可以对桩基屈曲的发生起到限制。

4.3桩周土的特性

当桩基出现横向变形时，土体会对土中的基桩产生水平抗力，可认为土体对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有所不同，较软的土体对基桩的约束必然弱于较硬土体对基桩发生屈曲的约束。设计中，应分析土体特性对桩基稳定性的影响。

4.4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，从而提高桩基的屈曲荷载。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。

4.5桩基容许承载力计算

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 063-2007） 5.3.3条规定，单桩轴向受压容许承载力按下式计算：

，，

根据提供地质勘察资料，确定各孔位处参数取值。

主桥：

根据提供的地质资料，现对K5、K6、K7、K8孔进行计算。对于K5、K6孔，桩尖位于第⑥层（粗砾砂）上，根据规范查得计算中各取值如下：=0.7，=0.85，=5，=9.5kN/m3；对于K7、K8孔，桩尖位于第⑦层（高液限粘土）上，根据规范查得计算中各取值如下：=0.7，=0.72，=2.5，=19.5kN/m3。考虑到

（1）单桩容许承载力计算：

（2）桩基反力计算

根据桥梁博士计算结果，在各种荷载效应组合下，上部结构支反力汇总如下：

根据上述计算结果主桥主墩由上部结构传下来的最不利反力为：N=2.59×（KN)，立柱、承台及相应桩基自重为：（KN)，制动力引起的附加弯矩为：

2.59×KN.m。

单桩的竖向力设计值可按照下列公式计算：

最不利荷载组合下的内力值为：

=3.05X(KN)，=2.59X(KN·M)

桩的根数n=4，将各个数据代入计算公式可以知；

=7949（KN）

5 结语

在桥梁总体设计中，下部结构的设计、计算对整个设计方案的确定有着较大影响。确定桥梁下部结构应遵循安全耐久、满足使用的要求，同时造价较低，维修养护方便，与周围景观相协调等原则。另外，桥梁下部结构的设计与结构受力、水文、地质构造等密切相关，并应考虑地震、温度影响力等作用。这就需要设计者善于结合工程实际不断探索和总结，提高下部结构的设计质量及使用效果，使其选择与布设能够更加合理、经济。