关于桥梁结构设计的探讨

　　摘要：桥梁设计是一个复杂的，系统的工程。需要丰富的理论知识，并且尽量避免主观经验因素对设计的影响。在桥梁设计过程中仍然有许多重大的理论问题需要解决。文章介绍了几种常见的桥梁下部结构形式，并对桥墩、桥台等的设计问题进行了探讨。
　　关键词：公路桥梁；结构；设计；探讨
　　一、桥台结构型式的选择
　　（一）轻型桥台
　　轻型桥台台身体积较小，多为直立的薄壁墙，两侧设有用于挡土的翼墙，也可以将侧墙做成斜坡。在两桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，上部结构与桥台通过锚栓连接，构成四铰框架结构系统，并借助两端台后的被动土压力来保持稳定。
　　（二）钢筋混凝土薄壁桥台
　　常用的薄壁轻型桥台有悬臂式、扶壁式、撑墙式、及箱式等，由带扶壁的前墙和侧墙以及水平底板构成，挡土墙则是由前墙和间距为2.5～3.5m的扶壁组成。
　　（三）埋置式桥台
　　埋置式桥台又可分为肋板式桥台、桩柱式桥台和框架式桥台。台身埋置于锥形护坡中，大大减小了桥台所受的土压力，桥台的体积也相应减小。但是由于台前护坡是用片石（或混凝土）作表面防护的一种永久性设施，存在着被洪水冲毁而使台身裸露的可能，因此，设计时必须进行强度和稳定性验算。
　　二、桥墩结构型式的选择
　　表1桥墩形式的选择
　　
　　桥墩一般选择原则见表1。桥高50m以内，上部结构为先简支后结构连续的装配式T形梁，桥墩可采用双柱式墩、十字墩或矩形薄壁墩等，以单幅双柱式墩较常用。在岩溶特别发育、桩基施工困难的地段，应尽量减少桩基的数量，此时可考虑设单柱单桩；当桥墩位于河谷、受滚石威胁时，考虑增强其抗撞击能力，也可设置较刚的单柱墩。对高墩长桥，为减少汽车单向行驶产生的累积变位，可考虑采用双幅两柱整体下部构造。
　　桥墩视上部构造型式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种型式。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式；其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。吉茶高速公路为尽可能的标准化和统一化，对于50m跨径以下的桥梁，当桥墩高度在50m以下时，一般采用柱式墩（包括双圆柱、独柱等），考虑到施工方便，尽量采用双圆柱式墩；当桥墩高度超过50m时，一般采用空心薄壁墩。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响，应取全桥或者至少取一联作为分析对象。同时，在外业过程中，要注意调查水文、水质、地质情况，了解河流是否有较大漂流物、水质是否有腐蚀性等，以便在设计时采取措施。位于陡横坡上的桥墩，同一路幅同一墩位上两墩柱的无支高差较大，墩柱刚度差造成的下部结构受力不均匀甚至相差很大，设计中必须给予充分重视，可采取在矮墩的地表下设置一定长度的套筒（结合相对高墩的高度），通过增加矮墩无支高度的措施，以减少同一墩位上两墩柱的刚度差（见图1）。
　　三、下部结构的设计计算
　　软土地基位移对超静定结构具有不利的影响，为减小这种影响，上部结构多采用标准梁的先简支后连续的构造，这样整个工程的设计计算工作就集中于下部结构的选用和计算，因而下部结构内力计算方法的选择正确与否，考虑因素是否全面，直接关系到整个工程的造价及安全。一般地，下部结构的设计过程中需进行下列计算:
　　（一）盖梁内力计算
　　若荷载对称布置，则可按照杠杆法进行计算。若荷载偏心分布，则按照偏心受压进行计算，两种布载情况的内力取大值控制设计。这种算法仅为两种布载状况下的内力计算，不是各截面最不利状况的内力计算，计算所得内力存在不安全的因素。
　　
　　图1高低桥墩布置示意图
　　（二）桥墩内力计算
　　墩桩顶的最大竖向力计算比较简单，这里不再赘述；墩桩顶水平力计算，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、地震产生的水平力在全联墩台进行分配，最后根据不同组合的墩桩顶水平力、弯矩及对应墩桩顶竖向力进行桩基各截面内力计算。对于横向陡边坡上的桥墩设计，同一墩位2个（3个）墩柱存在较悬殊的无支长度差异，因刚度差异造成桥墩横桥向受力分配的不均匀。
　　（三）桥台内力计算
　　除了受与桥墩相似的荷载之外，桥台竖向还受土压力、负摩阻力、搭板自重等荷载的作用；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．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，减小台身砼的收缩变形量，抑制台身的竖向、斜向裂缝的发生。
　　3．埋置式桥台土压力一般是以原地面或一般冲刷线起计算的，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。
　　4．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。
　　（四）桩筋及桩长设计注意事项
　　1．理论上说，应根据桩内弯矩包络图进行桩基各截面的配筋计算，实际中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。
　　2．软土地质条件下，桥梁桩基计算不能简单地采用常规的计算方法，而应根据实际的受力特点进行分析。用“假设有效桩长”的计算方法，计算出桩的最大弯矩及弯矩零点，而后进行配筋。在软土地质条件下应慎重采用，以免造成最大弯矩及弯矩零点位置判断的错误，导致配筋长度的不足。
　　3．若桩基变形较大，应同时考虑桩土特性及受力条件，按整体体系来分析桩的受力模式。
　　4．在山岭重丘区，因桥墩多处于基岩裸露的陡边坡上，所以桩基通常采用嵌岩桩。陡边坡上嵌岩桩的嵌岩深度必须考虑两个方面的内容，一是能起到嵌岩作用的嵌岩深度，二是岩石能满足嵌固受力要求所必须的水平宽度。嵌岩深度的确定对结构的安全性和经济性具有非常重要的意义。
　　四、结语
　　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，综合所有可利用的技术资料及科学理论，科学、经济、可靠地进行桥梁下部结构的工程设计。