桥台设计及计算

汪荷玲

（广州市市政工程设计研究总院,广东 广州 510060）

0　引言

随着经济的迅猛发展，市政桥梁修建越来越多，而桥台作为桥梁的重要结构之一，不仅要承受桥面上传递来的竖向荷载，还要承受台背填土及填土上车辆荷载所产生的附加侧压力。桥台受力复杂，影响因素众多，既要作为受力结构，又要充当挡土结构，防止路堤填土的滑坡和坍落，是确保全线交通运输的安全保证[1]。另外，近期桥台病害频出，如桥台开裂、桥头沉降、桥台前倾等也越来越多，因此在桥台设计时，根据不同的地质情况和受力条件，选择合理类型的桥台显得尤为重要。

1　常用桥台类型

梁桥的常用桥台类型有重力式桥台、埋置式桥台、轻型桥台、薄壁式桥台等。目前市政工程中，薄壁式桥台和埋置式桥台用得较多。其中薄壁式桥台包括常规的薄壁柱式桥台、扶壁式桥台、座板式桥台等，分别如图1～图3所示。埋置式桥台包括填土较高肋板式桥台（见图4）和一般高度的埋置式桥台。现简要介绍市政工程中常用的几种桥台及其适用条件。

图1　薄壁柱式桥台

图2　扶壁式桥台

1.1　薄壁式桥台

薄壁式桥台主要是利用钢筋混凝土结构的抗弯能力来减少圬工体积，从而使桥台变得轻型化，可减少圬工体积40%～50%[2]，同时因为自重的减轻而降低了对地基承载力的要求。常规的薄壁式桥台受力合理，工程量少，对地基承载力要求不高，跨越能力较大，不受放坡限制，可充分利用桥下净空减小跨径，而且桥型美观[3]。由于以上优点，薄壁式桥台在市政桥梁设计中得到了广泛的应用。但其适用桥台高度不高，一般适用于台高不大于6 m的桥台，多用于中小桥桥台设计中。

图3　座板式桥台

图4　肋板式桥台

1.2　扶壁式桥台

扶壁式桥台结合传统的轻型薄壁台及肋板台的特点[4]。胸墙相当于薄壁台的台身，除了承受上部结构荷载及台后土压力外，还能通过对台后填土的阻挡来实现不侵占通行孔径，节约空间和造价。而扶壁的设置可以增加胸墙的抗弯刚度，减小结构的弯曲变形，避免结构出现裂缝，使得扶壁台适用高度较传统轻型薄壁台有很大的提高。双排桩基础（群桩）则大大提高了桥台结构的抗倾覆及抗推刚度，增加了结构的稳定性[4]。扶壁式桥台一般适用于桥台高度为7～12 m的桥梁。由于扶壁式桥台不侵占通行孔径，故多用于市政桥梁中。

1.3　座板式桥台

座板式桥台是在薄壁式桥台基础上，去掉台帽和台身，支座直接放在承台上。它是以抬高基础为出发点，避免反开挖，用两排灌注桩抵抗台后土压力，是针对软土地区而设置的桥台型式，能够充分适应软弱土质地区桥台设计和施工要求，但存在局部回填压实困难的缺陷，然而相对于反开挖施工而言，还是有明显的优势。故在软土地区，由于淤泥较厚，桩顶位移往往较大，很难满足规范要求（规范规定桥台的桩基水平位移不大于6 mm[5]），通常采用座板式桥台。

1.4　肋板式桥台

肋板式桥台是埋置式桥台的一种，是把台身的大部分埋入锥形护坡或者溜坡内，其缩短了翼墙，仅由台帽两侧耳墙和路堤衔接。其具有钢筋及混凝土用量较少，沿道路轴线方向刚度大的优点，所以经常被用于高速公路跨线桥的桥台。因为桥台所承受的土压力大为减少，所以桥台体积也减少了许多。但是由于台侧溜坡延伸至桥孔内部，压缩了河道，有时候需要把桥台的位置向后移从而增加了桥梁的长度，增加了工程的投入[2]。

肋板式桥台适用于桥台高度较大（6 m以上），且桥头为浅滩的河床或者桥台处桥下净空无要求、桥下用地无要求的桥梁。

2　工程实例

北溪大桥横向分幅设计，左右幅桥桥跨布置均为[（2×30）+（36+4×60+36）+2×（3×30）]m，全长552 m，桥宽为16.5 m，两幅间有1 m宽镂空带；其中主桥上部结构为挂篮悬浇预应力混凝土变截面连续箱梁，引桥上部结构为预制预应力混凝土简支小箱梁；下部结构采用Y形板墩+大挑臂盖梁、薄壁式桥台，桩基础采用钻孔灌注桩基础。

该桥Z1号轴桥台高7.4 m，且右幅桥桥台处有其他建筑物，无法放坡，故采用扶壁式桥台（见图5）。在Z5号轴处，地质资料显示有较深的淤泥，且有放坡条件，故采用座板式桥台，缓解软基地区桩基受力过大的不良情况。

3　扶壁式桥台计算

结合北溪大桥Z1号轴桥台设计来阐述扶壁式桥台的计算内容。

3.1　扶壁式桥台荷载分析

3.1.1台后土压力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）第4.2.3条，按主动土压力计算。填土的重力19 kN/m3，内摩擦角30°，主动土压力系数0.301。根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011），横桥向布置3辆车。破坏棱体长度4.831 m，等代土层厚0.513 m。台后填土及汽车引起的侧土压力计算结果见表1。

图5　北溪大桥Z1号轴桥台（单位：mm）

表1　台后填土及汽车引起的侧土压力

3.1.2荷载组合

将桥台自重，台后填土侧压力，上部结构恒载、汽车、人群支反力，汽车引起的土侧压力、支座摩阻力7项荷载按不同分项系数组合得到每片扶壁计算截面处的内力汇总，见表2。

表2　扶壁底面内力汇总表

3.2　桥台计算结果分析

3.2.1扶壁截面验算

扶壁按锚固在承台上的变截面T形截面悬臂梁计算，台身为梁截面的翼缘板，扶壁为腹板。扶壁截面验算时取扶壁底面，根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）[6]中压弯构件进行验算。验算结果见表3。

表3　扶壁底截面强度计算

根据频遇组合考虑准永久效应计算得到扶壁裂缝宽度0.09 mm＜0.2 mm（规范要求），故扶壁台截面满足规范要求。

3.2.2顺墙长方向台身截面验算（取单位宽度）

单位宽度的台身水平板条，可按支撑于扶壁上的连续梁进行计算[7]。

支点负弯矩组合设计值：

跨中正弯矩组合设计值：

式中：L0为相邻扶壁间的净距；σi计算点处对应的竖直压应力。计算结果见表4。

表4　顺墙长方向台身截面内力

按照扶壁截面的验算方法分别验算顺墙长方向台身截面承载力和裂缝宽度，结果均满足规范要求。

3.2.3垂直墙长方向台身截面验算（取单位宽度）

单位宽度的台身竖直板条，沿墙高的分布如图 6[7]所示。

图6　立壁竖直向弯矩分布示意图

式中：H1为台身高度；bL为台身竖向板条顺墙长方向的单位宽度。计算结果见表5。

表5　垂直墙长方向台身截面内力

按照扶壁截面的验算方法分别验算竖直墙长方向台身截面承载力和裂缝宽度，结果均满足规范要求。

3.2.4承台验算

承台按照撑杆-系杆体系进行计算，计算结果见表6和表7。

表6　承台正截面强度验算结果

表7　承台斜截面抗剪验算结果

由表6和表7可知，承台正截面强度最小安全系数为1.9，斜截面抗剪安全系数为2.8。故承台设计满足规范要求。

3.2.5桩基验算

通过桥台内力计算得到承台底面内力，见表8。并采用方法计算得到桩基截面控制内力，见表9。

表8　承台底面内力汇总

表9　桩基截面控制内力

表10　桩基正截面抗压强度验算结果

根据地质报告知，此桥台处岩层较深，桥台桩基按摩擦桩设计。桩基按照规范要求采用圆形截面偏心受压构件。对桩基承载力验算结果见表10，计算裂缝宽度0.1 mm＜0.2 mm。故桥台桩基设计满足规范要求。

4　结语

（1）在桥梁设计过程中，桥址环境千变万化，只有在设计过程中，通过不断探索、总结，才能选择更加合理、经济的桥台型式，进而提高整体结构的设计质量与使用效果。

（2）扶壁式桥台结合了传统轻型薄壁台与肋板台的优点，能很好地应用于市政桥梁中特定情况下的桥台结构中。

（3）通过北溪大桥桥台设计，对扶壁式桥台进行系统的计算分析，为同行设计者提供参考。