浅谈桥梁下部结构设计

赵宏亮

1 概述

桥梁墩台是桥梁结构的重要组成部分，它主要由墩台帽、墩台身和基础三部分组成。它承担着桥梁上部结构所产生的荷载，并将荷载有效地传递给地基基础，起着“承上启下”的作用。

在桥梁的总体设计中，墩台的选型与结构设计对整个设计方案有较大的影响。确定桥梁下部结构应遵循安全耐久、满足交通要求、造价低、维修养护费用小、预制施工方便、工期短、与周围环境协调美观等原则;同时还要考虑到结构的受力、土质构造和地质条件、水文、水流流速及河床性质等诸多因素的影响。通过合理的设计和计算，确定基础形式和埋置深度，使得墩台有一个稳定可靠的地基。

2 桥墩

2.1 桥墩的形式

桥墩按其构造可分为实体墩、空心墩、柱式墩、框架墩等;按其受力特点可分为刚性墩和柔性墩;按其施工工艺可分为就地砌筑或浇筑桥墩、预制安装桥墩;按其截面形状可分为矩形、圆形、圆端形、尖端形及各种截面组合而成的空心桥墩。墩身侧面可垂直，也可以是斜坡式或台阶式。

2.2 常用桥墩的适用性

由于桥墩形式的多样化，使得桥梁设计人员在选型方面感到非常的头疼。下面就常用类型桥梁墩台的适用性作一简述，以供设计人员参考。

实体式重力墩自身刚度大，具有较强的防撞能力，但同时存在阻水面积大的缺陷，比较适合修建在地基承载力较高，覆盖层较薄，基岩埋深较浅的地基上。实体式轻型墩台圬工体积较小，抗冲击力较差，不宜用在流速大并夹有大量泥沙的河流或可能有船舶、冰块、漂流物撞击的河流中，一般用于中小桥梁上。

薄壁空心墩一般采用强度高、墩身壁较薄的钢筋混凝土构件。这种构件由于削减了墩身自重，减小了软弱地基的负荷，减小了自身的截面尺寸，使结构在外观上变得更加轻盈。

柱式桥墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式。它具有线条简捷、明快、美观，既节省材料数量又方便施工的特点，适用于桥梁宽度较大的城市桥梁和立交桥。设计人员应根据桥宽的需要以及地物地貌条件，把独柱、双柱和多柱等进行任意的组合。

2.3 设计中的注意事项

由于桥墩在构造、施工工艺和截面形状等方面的多样性，近年来我国桥梁设计人员对下部结构的造型设计有了显著的变化，改变了以往桥墩粗、大、实的躯体，向着轻型、薄壁、注意造型的方向发展，从而提高了桥梁下部结构的功能和结构的美感。在现代化的国际大都市——上海市城市高架桥建筑方面体现了这一点。上海市的高架桥上部结构为预应力混凝土连续钢箱梁，呈抛物线型;下部的墩台根据桥面宽窄及其周围环境的不同，分别采用了Y形墩、H形墩、独柱墩、多柱墩等多种形式，截面形状分别为圆形和方形，从而使得该城市的高架桥像彩虹一样环绕在城市之中。

3 桥台

3.1 桥台的形式

桥台按其形式可划分为重力式桥台、轻型桥台、框架式桥台、组合式桥台和承拉桥台。

3.2 常用桥台的适用性

由于桥台形式多样化，下面就常用类型桥台的适用性作一简述，以供设计人员参考。

U形桥台构造简单，基底承压面大，应力较小，但圬工体积大，台内填土易积水、结冰、冻胀，使桥台结构产生裂缝。因此要注意中间填料要采用渗水性较好的土夯填，并做好台背排水。

八字式和一字式桥台适用河岸稳定，桥台不高，河床压缩小的中小跨径桥梁，对于跨越人工河道的桥梁及立交桥亦可采用。

薄壁式桥台同薄壁式桥墩类同，可依据桥台高度、地基强度和土质等因素选定。

以上这些类型的桥梁墩台，设计人员在设计时应根据实际情况因地制宜。

4 墩台基础设计

在桥梁墩台设计中，还有一个非常重要的事情，那就是墩台基础的设计。工程实践表明:墩台的地基与基础的设计与施工质量的好坏，是整个结构质量的根本问题。因为基础工程是隐蔽工程，如有缺陷，较难发现，也较难弥补或修复，而这些缺陷往往直接影响整个桥梁的使用甚至安危。桥梁墩台的造价，通常在整个桥梁造价中占相当大的比重，尤其是在复杂地质条件下或深水修筑基础更是如此。因此，我们设计人员对墩台基础必须精心的设计，不得有马虎的思想。

4.1 墩台基础类型

基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。一般将埋置深度在5 m以内者称为浅基础;由于浅层土质不良，须把基础埋置于较深的良好地层上，埋置深度超过5 m者称为深基础。基础埋置在土层内深度虽较浅(不足5 m)，但在水下部分较深，如深水中桥墩基础，称为深水基础。除了深水基础，公路桥梁及人工构造物最常用基础类型是天然地基上的浅基础，当需要设置深基础时常采用桩基础或沉井基础。

4.2 基础资料的调查

首先在墩台基础设计之前，除了应掌握有关全桥的资料，包括上部结构形式、跨径、荷载、墩台结构等及国家颁发的桥梁设计、施工技术规范外，还应注意地质、水文资料的搜集和分析，重视土质、建筑材料的调查和试验。根据桥梁工程规模、重要性及架桥地点工程地质、水文条件的具体情况和设计阶段确定取舍。

4.3 软弱地基的处理

在搜集了墩台设计所需资料后，我们根据作用在地基与基础上的计算荷载的不同特性，以及各种荷载出现的几率把作用荷载进行分类，并将实际可能出现的荷载组合起来，确定设计时的计算荷载。之后按其可能出现的最不利荷载组合情况进行验算。

确定了基底应力之后，我们即可根据收集到的地质资料选择合适的持力层。如果地基承载力不够时，那么就要对地基进行处理。

人工加固软弱地基按其处理的基本原理大致可归纳为三类。第一类是挖除全部或部分软弱地基土层，换填压缩性低、强度高的土，称为换土或垫层法。第二类是减小土体中的孔隙，使土密实，从而减小土的压缩性，提高强度，有挤(压)密法(如砂桩、夯实、振充碎石桩)，砂井预压固结法。第三类是在土中注入或添加凝胶剂，填充孔隙，增强土颗粒间的联结而达到加固目的，可以称为液灌注加固法。

在选择地基处理的方法时，我们不要盲目地进行选择，应通过工程地质勘测和土工试验，根据土层条件，结合上部构造物，当地有关条件及工程费用等，综合考虑决定处理方案。

5 结语

当地基处理完毕后，我们可以说墩台设计的过程结束了，但是一个完善的墩台设计需要有丰富的设计经验，需要熟练掌握各种力学、地质学、水文、气象等方面的知识。例如在太澳高速晋城至省界(济源)段，中交公路规划院的设计人员对于沟谷连续切入深度超100 m，地貌呈W地形、桥梁规模较大、施工条件十分困难的桥位，经过对地形、桥梁设计与施工的合理程度经济技术的比较，推荐采用大跨径预应力混凝土斜拉桥的设计方案，达到了因地制宜，避免了深谷高桥墩的施工，其构想可谓巧妙，结构先进，施工方便，玲珑剔透。对于我们设计人员要经常记录自己的设计成功之处，学习别人的先进之处，取长补短。这样才能引进新的设计思想和理念，在自己的桥梁设计方面有所突破，更好地为公路建设服务。

［1］ 顾安邦，范立础.高等学校教材:桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］ 江祖铭，王崇礼.公路桥涵设计通用手册《墩台与基础》［M］.北京:人民交通出版社，1994.

［3］ 李世文，李卫华.武汉二七长江大桥主塔基础设计［J］.山西建筑，2010，36(6):293-294.