公路桥梁下部结构设计研究

曾献军

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西抚州 344000）

0 引言

下部结构是公路桥梁的主体，不仅工程量较大，而且涉及的知识内容和技术种类相对较多，科学合理的下部结构设计既是保障工程质量的重要手段，也是降低造价成本、提升工程效益的关键环节。因此，加强公路桥梁下部结构的设计研究是十分必要的。

1 公路桥梁桥台结构选型

1.1 轻型桥台

轻型桥台主要特点是整体质量轻、体积小，利用钢筋混凝土的抗弯能力，减少圬工体积，进而达到减轻桥台体积和质量的目的。该类型的桥台大多是直立的薄壁墙结构，结构包括箱式、扶壁式以及撑墙式等，其中最为常见的结构为带扶壁的前墙以及侧墙，挡土墙两侧与前墙之间的距离控制在2.5～3.5m。此外，还包括支撑梁轻型桥台，该结构多用于单跨或者小跨径桥梁中，通过在桥台间或者桥台与桥墩之间设置支撑梁的方式进行固定，确保支撑梁设计在河床铺砌线之下，并使用锚栓连接桥台与上部结构，形成四铰框架结构，共同受力，在端台后方被动土压的作用下，维持整体稳定性。

1.2 重力桥台

根据桥梁跨径、桥台高度以及现场地形情况，进行桥台型式选择。重力桥台包括U 型结构、埋置式桥台以及一字式桥台等。若为铁路桥梁设计下部结构，还可选用T 型桥台等其他型式。以U 型桥台为例，该型式桥台主要包括台身、台帽、基础以及侧翼墙，从平面来看整体呈现U 型，该桥台结构简单、基础承压面积较大，应力小，有着较强的稳定性和可靠性，但同时圬工体积偏大，内部容易积水，积水结冻膨胀，会导致桥台开裂。

1.3 埋置桥台

埋置桥台的台身是埋置在台前溜坡中的，因此无需另外构建侧翼墙，台帽两端耳墙直接与路堤相连，常见结构包括直立式、后倾式等。埋置桥台的台身为圬工实体，台帽以及耳墙材质为钢筋混凝土。该桥台结构的主要特点表现在圬工量较小，但同时由于溜坡需要深入桥孔，因此对河道造成了挤压，在必要的情况下可适当增加桥长。该桥台型式适用于浅滩、溜坡冲刷小、填土高度不超过10m 的中等跨径工程项目中。

1.4 组合桥台

组合桥台结构下的桥墩和桥台受力相同，根据桥台与挡土墙之间的连接方式，可将其划分为过梁式和锚定板式两种，其中锚定板式还划分为结合式和分离式，结合式的台身与锚定板相连，同时具备挡土板和立柱；分离式结构中台身与挡土墙和锚定板互相分离，由台身承担上部水平和竖直力。

2 公路桥梁桥墩结构选型

公路桥梁桥墩结构选型需要根据墩高范围、桥梁跨径的实际情况合理选择，如表1 所示。对于高度在50m 以下的桥梁，其上部结构多为装配式T 型梁，此类桥梁的桥墩结构可根据实际墩高范围、跨径情况等选择双柱式、薄壁式或者十字墩型式。对于特别岩溶发育、桩基施工困难的情况，为保障工程进度和质量，桥梁设计时需尽可能减少桩基数量，因此可采用单柱单桩设计型式。若桥梁的墩高和长度都相对较大，在进行下部结构设计的过程中，应以减少汽车单向行驶过程中的累积变形为主要目标设计，对此可根据实际情况选择双幅两柱整体下部结构。

表1 桥梁桥墩结构选型

同时，下部结构桥墩设计的过程中，还需要考虑桥梁上部构造型式。其中，柱式墩基于自身重量较轻、结构稳定性强以及施工便利、外形美观等特点，在公路桥梁中得到了广泛应用。以某高速公路为例，为强化提升公路的整体美观性以及标准化，对于项目工程中跨径和桥墩高度都不足50m 的桥梁均采用双圆柱式墩；对于墩高在50m 以上的桥梁，采用空心薄壁墩型式。在进行桥墩选型设计的过程中，需对以下三种情况进行特殊考量和分析：

其一，桥墩高度超过60m 的情况，则需要针对桥梁承载力需求以及使用极限状态进行分析，在保障桥梁整体结构稳定的基础上，再进行桥墩结构选型设计。

其二，连续梁或者连续刚构桥梁中，相邻桥墩的稳定性以及可靠性之间会互相影响，因此在进行下部结构设计时，需要先对桥梁整体结构情况进行分析。

其三，在对陡横坡桥墩设计时，可能由于墩柱间无支高差较大，使得桥梁下部结构受力存在不均匀的情况，影响桥梁使用安全性和结构稳定性，因此在设计桥墩时，需要加强对于此方面的重视，通过设置套筒、增加矮墩无支高度等方式，实现对于墩柱刚度的有效控制，平衡下部结构受力。

除此之外，在进行桥梁桥墩设计的过程中，还应加强对于外业调查环节的重视，明确施工现场实际水文、地质等的情况，明确河流当中是否存在大型漂浮物，是否会影响桥墩稳定性，分析水质情况，判断其腐蚀性，以此为桥墩设计优化提供良好参考，进一步提升桥梁的可靠性，延长桥梁使用寿命。

3 下部结构设计要点内容

3.1 盖梁内力计算

传统盖梁内力计算是按照设计图纸，对各横截面受力点和受力情况进行分析和计算，以此确定内力变化范围，整个计算过程难度较大、耗时较长。对此，开发了通过构建模型进行计算的方式，极大地简化了内力计算流程和难度。

以某公路桥梁工程为例，该桥梁为28 跨30m 预应力混凝土简支T 梁桥，全长856m，宽度为12m，4 跨一联，桥墩为双柱式墩结构，柱间距为6.4m。盖梁为双悬臂式，控制界面为支点和跨中截面。采用简支梁模型、钢架模型以及实体模型三种模型计算，并进行对比分析。不同计算模型中最不利组合工况下跨中以及支点内力值如表2 所示。根据表2 可知，简支梁模型中，跨中弯矩明显偏小，主要原因在于该模型缺乏对于立柱宽度和刚度的影响分析；相比之下，实体模型充分考虑了各方面影响，因此支点弯矩相对较小，所建模型与实际情况之间契合度较高，但由于实际施工过程中桥墩立柱与盖梁是分别进行浇筑的，导致无法达到实体模型效果，因此由此模型计算得到的结果存在一定的安全隐患；而钢架模型仅考虑了立柱刚度，缺乏对于宽度影响的分析，因此在使用该模型进行计算分析时，需要对求得的支点弯矩进行折减处理，经计算后得到的支点弯矩为1966.7kN·m，与实体模型支点弯矩接近。在跨中剪力值计算方面，简支梁模型和钢架模型的最大剪力均位于支点，因此数值较为接近，而实体模型的最大剪力位于立柱边缘，因此计算结果相对较小。在进行盖梁设计时，需要结合实际情况合理选择相应计算模型。

表2 不同计算模型中最不利组合工况下跨中以及支点内力值

3.2 桥台承力设计

与桥墩相比，桥台结构密实性较差，因此内力不如桥墩稳定，计算难度较大，除单纯进行荷载计算分析外，还需要对土压力、负摩阻力、搭板自重等荷载压力进行分析。对此，在实际进行桥台内力计算以及结构设计的过程中，应对以下几方面加强重视：

首先，对于软土地基而言，其本身承载力、稳定性较差，在计算土压力时，需要从深层次进行考量；

其次，软土地基下，桥台应与路线呈正交方式进行设计，以此达到缩短台身程度的目的，并在适当位置合理设置收缩缝，缩短受拉范围，减少桥台由于收缩产生的形变量，降低裂缝出现的概率；

最后，在选择埋置式桥台时，其所承受的土压力计算需要以原地面或者冲刷线为标准进行计算，若土质情况不佳，还需要在此基础上进一步展开验证分析，以此判断桥台设计过程中地面下桥台后方深层土压力影响。

以埋置式桥台内力计算为例，针对土压力变化情况进行分析。在进行土压力分析的过程中，需要充分考量施工现场实际情况和地质条件，而且由于桥梁工程本身的特殊性，在实际进行施工的过程中，地基部分可能出现渗水等不良现象，影响土压力以及施工安全性，为保障下部结构设计质量，确保内力计算分析的科学性以及合理性，在进行土压力计算时，应从以下几个方面入手，对结构设计方案进行优化调整：

第一，为降低桥台承受的土压力，可适当增加桥梁长度，进而降低桥台高度，以此提升桥梁稳定性；

第二，压力数值会随着受力面的增加而不断降低，因此在进行桥梁结构设计时，可铺设竹筏材料，以此增加受力面，降低桥台承力，进而达到降低设计难度、节约项目成本的目的；

第三，通过减轻台背荷载的方式，减少桥台负载压力，对此在进行桥台结构设计时，需要积极选用轻质施工材料，也可在情况允许的前提下，在结构内部填充空箱；

第四，借助平衡压重填土的方式，在桥台前后进行填土压重，以此提高桥台结构的稳定性，提升桥梁整体质量。

3.3 桩筋以及桩长设计

桩筋与桩长是桥梁下部结构主体，对于整体结构的稳定性、承载力以及质量有着重要影响。在实际进行桩筋以及桩长设计的过程中，应重视以下两方面内容：

一方面，桩筋的配置和设计是根据结构内力计算结果展开的，着重加强对于最大负弯矩位置的配筋设计，需要从桩顶位置展开，直到最大负弯矩一半以下相应位置，然后减少一半配筋，再继续延伸到弯矩为0以下的位置。若施工现场地质情况相对较差，为软土地基，为保障结构稳定，桩主筋需要延伸并穿过软土层。

另一方面，值得注意的是，在软土地基中进行桥梁桩筋计算时，避免套用以往计算方法，需结合实际结构受力点情况展开计算和分析。可先通过假设有效桩长，确定桩最大弯矩位置以及弯矩0 点位置，然后再展开配筋计算，保障配筋节点位置判断的准确性，避免出现配筋长度不足的情况。

3.4 路基沉降滑动设计

一旦出现桥头路基沉降或者滑动情况，将会对公路桥梁形式安全产生直接影响，为避免安全事故的发生，在进行下部结构设计时，需要加强对于路基沉降滑动方面的预防和分析。

第一，加强材料质量把控，严禁不合格材料进入现场。

第二，着重提升路基密度，在路基缝隙中填补木屑、碎石，提高路基稳定性。

第三，通过超载预压，促使路基提前沉降，降低后续沉降量，保障工程安全。

4 结构设计中技术问题处理对策

桥梁结构设计不仅要满足工程建设需求，同时还需要对可能发生的不良情况以及潜在问题进行分析，并通过设计策略，解决、排除相应隐患问题。对此，在进行桥梁下部结构设计时，需要加强以下几个方面技术问题的分析和处理：

第一，桩长变更。桥梁结构设计需要参考相应地质数据，但由于地质情况存在不稳定性，因此相应地质数据并不是唯一不变的，实际施工过程中可能遇到岩石层等不良情况，导致施工无法继续推进。对此需要延长原有设计桩长，但桩长的变更关乎桥梁整体结构和受力情况，需要施工单位与设计人员共同进行分析探讨，保障设计的合理性和可行性。

第二，断桩隐患。针对可能出现的断桩问题，应加强对于混凝土配比以及搅拌等相关参数设计的控制，并对实际施工操作进行监控和测量，避免出现偷工减料，或者随意变更混凝土材料用量等不良情况，一旦发现问题就要及时处理。

第三，横系梁应用。在下部结构设计过程中，若桥墩高度较高，整体稳定性较差，需要采用横系梁，并将其设计在水位之上，避免水下建梁对于材料质量要求较高，增加工程成本。

5 结语

综上所述，公路桥梁下部结构设计要点主要包括桥台、桥墩结构选型，相应内力分析以及配筋分析等。在此过程中，需要对施工现场地质、环境以及桥梁受力情况等进行综合分析，明确下部结构受力点以及不良内力情况，合理展开细节设计，并针对可能出现的沉降、断桩等不良情况和隐患问题进行设计，全面保障下部结构的稳定性和可靠性。