重力式U 型桥台开裂原因

胡皓勇，朱珊莹

（1.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074；2.重庆城市综合交通枢纽（集团）有限公司，重庆 400010）

在我国桥梁建设中，较为常见的重力式桥台是U 形桥台，它主要由台帽、台身和基础组成。桥台本身多数由片石混凝土、石砌或混凝土等圬工材料建造，可以平衡台后的土压力。一般采用现场浇筑方法施工。U 形桥台因其台身是由前墙和两个侧墙构成的U 字形结构而得名。其优点是构造简单，可以用混凝土或片、块石砌筑。缺点是桥台体积和自重较大，增加对地基的要求，此外，桥台两侧填土容易积水，结冰后冻胀，使侧墙产生裂缝。所以桥台采用渗水性较好的土夯填，并做好台后排水。本文通过对《公路桥涵设计通用规范》桥台部分各个条款进行详细分析计算，并且借助专业分析软件MIDAS FEA 的模拟计算台后土压力对前墙的影响，防止部分桥梁在营运不久出现的各种严重问题。

1 设计算例

本文根据重庆市南川至贵州市道真高速公路重庆段特大桥为工程背景，大桥工程位于南川区大有镇水源村，其跨径布设为（85＋148＋85）m，桥梁起点桩号K22＋336.962，跨中桩号K22＋503，终点桩号K22＋665.013，全长326m，桥面总宽12m，桥面行车道宽11m，两侧各设0.5m 宽的防撞护栏。两幅桥梁总面积7 488m2。道路等级：高速道路；计算行车速度：80km／h。

2 前墙计算

U 型桥台主要受力部分为前墙，一般对于高度较大的桥台，前墙前边和地基的墙身的应力通常比较大，为改善这种应力分布状况，使受力更合理，在较大宽度的桥台中，在前墙的一定位置设置变形缝，桥台质量一般能保证，所以加宽基础襟边，同时前墙设置10∶1或者8∶1的前坡。

2.1 土压力的计算

挡土结构物上受到的土压力和挡土结构与填土相对位移紧密相关。一般地，可以参考《公路桥涵设计通用规范》附录部分，按挡墙模式计算台背压力。桥背填土的作用达到了主动土压力。一般采用朗肯主动土压力理论计算台背主动土压力。规范中根据桥台后有车和无车两种情况进行。计算得到两种情况下土压力作用点到基础底面的距离，破坏棱体的长度。对于台后有车的情况，要把汽车荷载转化为土层厚度。

换算土层厚度

2.2 基底应力

为满足桥台承载能力要求，对以后进行的抗倾覆和抗滑移设计达成统一，对基底应力按照《公路桥涵设计通用规范》进行计算。

式中：N为竖向力总和，∑M为作用于桥台的水平力和竖向力对基底重心轴的弯矩，A为基础底面积，W为基础底面的截面抵抗矩。

土类地基基底最大应力pmax＝231.3kPa，要求土类地基基底容许承载力［］f不小于250kPa。

在设计中，为使桥台的安全度更高，设计人员不能仅仅只局限于规范条文，应该根据实际工程情况，如果地质条件较差，对于容易塌陷的地区要保证基底应力能够满足规范要求，还要验算前墙和背墙由于地基不均匀沉降导致的裂缝。

2.3 抗滑稳定性计算

实际验算基底抗倾覆稳定性，目的是确保桥台不向一侧倾倒，也不绕着某一轴转动。桥台是绕基底受压的最外边缘倾覆，针对弹性软土面的桥台基础，由于基底最大受压边缘陷入土中，此时基底的转轴将在受压边缘的内侧的某条线上。在设计中保证基底的最大应力，基础的转动轴仍定在最大受压边缘。

由《公路桥涵地基与基础设计规范》4.4.1 条规定

式中：k0为墩台基础抗倾覆稳定性系数；y为桥台截面重心至验算倾覆轴的距离，m；即距墙趾的距离；［k0］为规范规定验算墩台抗倾覆和抗滑移的最小温度系数；

计算结果：前墙基础倾覆和抗滑移性均满足《公路桥涵设计通用规范》的要求。

3 有限元分析

为了计算精确，本模型通过FEA 有限元中的映射网格进行规格的单元划分。单元全部使用空间四节点的实体单元。荷载采用土压力和车辆荷载的组合，将土压力变化规律，以面荷载的形式分别施加在前墙和侧墙的背面，见图1。

图1 桥台三维实体离散模型

桥台各墙所受的土压力会随着桥台高度增大不断增加，因此，前墙与侧墙所受水平压力也会增加，常常在前墙和侧墙的交接处出现拉应力，如果在实际中桥面排水不顺畅，可能导致台后填土的重度增加，即而使得土压力增加。

本文通过，“台内填土土压力＋汽车荷载＋温度力”工况进行分析，见图2～图6。

图6 最大剪应力云（单位：MPa）

1）桥台X轴方向应力最大值为0.23 MPa，最小值为－0.24 MPa，最大拉应力分布在桥台前墙基础；桥台Y轴方向应力最大值为0.5 MPa，最小值为－0.3 MPa，最大拉应力也分布在桥台前墙与侧墙交界处；桥台Z轴方向应力最大值为0.3 MPa，最小值为－0.7 MPa，最大拉应力分布在桥台前墙与地基交界处，分布范围较小；桥台范梅塞斯应力最大值为0.8 MPa，最大压应力出现在前墙和基础交接处；桥台第三主应力最小值为－1.8 MPa，最大主压应力分布在桥台前墙与锥坡交界处。

2）从应力分布趋势来看，如果地基发生沉降，桥台前墙与侧墙交界处最容易开裂，由于前墙的刚度比侧墙刚度大，开裂起始位移会从侧墙开始，由内侧向外侧沿着45°方向扩展，直到裂缝贯穿侧墙，若不采取措施，裂缝将由桥台台帽位置向下继续发展，直到前墙与侧墙分开。

4 结束语

从计算结果来看，汽车荷载产生的效应最为显著，土压力次之。现有车流量大，重载、超载严重，再加上桥面排水不顺畅，雨水顺着桥头搭板的裂隙进入桥台，由于台后填土透水性较差，填土遇水膨胀，对桥台侧墙和前墙产生向外的推力，这些原因都有可能导致桥台开裂的原因。

本文严格按照设计规范条款进行分析计算，为确保桥梁桥台结构满足使用要求，提高桥梁桥台的安全性和耐久性，在对公路桥梁桥台结构设计时，要求设计人员和现场施工人员根据设计规范及其施工规范总和考虑地质水文条件和结构受力特点等，以满足规范的要求。并且通过有限元分析计算，分析出桥台后的填土产生的土压力对桥台结构的安全性有着重要的影响。因此，在以后的设计中一定要考虑较大的土压力作用。但是在桥台设计中仍存在一些问题需要研究，如在活载的选择上，使用车辆荷载和车道荷载的选择上是需要进一步研究的。

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