桥梁的下部结构设计分析

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摘 要：随着我国交通的快速发展，桥梁工程在交通工程变得日益重要。对于沿海、沿河城市，跨海大桥是连通河海两岸的最佳交通方式；对于地势起伏的山区地区，桥梁横跨沟壑的最优选择。桥梁作为交通路线上重要工程，其下部结构的设计的合理与否，关系到整个工程的工期、造价及建设的可行与否。该文就目前桥梁该工程下部结构的设计进行了分析，探讨了下部结构的设计特点，期望对桥梁的设计及施工有所指导和帮助。

关键词：桥梁 下部结构 结构设计

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0073-02

桥梁的造价、质量及施工工期等往往都深受桥梁下部结构的影响，桥梁发生的事故大多与下部结构设计有着直接的关系，如沉降不均均匀会导致的桥面开裂和桥体倾斜等。在整个桥梁工程的设计中，下部结构设是整体设计的重点，下部结构设计的合理与否关系的整个桥梁工程的安全和成本的控制。目前桥梁的下部结构设计应更注重合理性的设计，而非可行性设计，可行性设计仅考虑了暂时桥梁工程的稳定性，对后期影响后期桥梁工程整体以稳定性的因素较为模糊，合理性设计更注重后期结构的稳定，更趋于安全。对此，笔者通过对比中外桥梁下部结构的设计形式及下部结构的与缺点，针对我国桥梁下部结构设计时应注意的问题和要点进行了分析阐述，对桥梁的下部结构的合理性设计提出一些建议和看法。

1 桥梁下部结构形式

1.1 国外的桥梁下部结构形式

早期的桥梁建设中，国外的大桥的基础以气压沉箱基础为主。随着建设的发展，20世纪40年代，沉井基础得到广泛的推广，成为桥梁下部结构的优选基础类型。随着科学技术的飞速发展，20世纪70年代中期左右，各个国家对桥梁基础都有自己成熟的技术，因此出现了多种类型风格的基础。

在美国，早期桥梁建设中，桥梁的下部基础主要采用气压沉箱，修筑了纽约布鲁克林大桥、Eads大桥。但这种基础基础结构造价高、劳动力需求大、施工较为危险。鉴于以上缺点，美国的工程技术人员对其在基础上进行了改进，发明了沉井基础，如美国旧金山的奥克兰大桥、金门大桥都采用了此基础。二战过后，美国桥梁基础的类型日益增多：1955年，查蒙德・圣莱弗尔（RlchmondSanRafael）首创钟形基础；1957年，美国庞加川湖桥模仿我国武汉长江大桥试验采用了管柱基础；1966年的美国班尼西亚马丁尼兹桥（BeniciaMartinez）采用了钢筋混凝土沉井和钢管桩的组合基础；1983年，俄勒冈桥（Oregon）采用双曲线钟形基础。1994年，切萨比克一特拉华运河大桥采用预应力钢筋混凝土方桩基础；同年，休斯顿航道桥使用钢筋混凝土方桩做为桥下部结构的梁基础[1]。

在桥梁大国丹麦，1935年丹麦小海带桥（TheLittleBelt）采用了钢筋混凝土沉箱基础；到了1937年，斯托司脱隆桥（storstrom）采用了较为成熟的沉井基础；1970年，新小海带桥亦采用了混凝土沉井结构基础；1998年，大海带桥（GreatBeltBridge）的主桥主塔基础采用了高重力的设置基础；2000年，厄勒海峡大桥亦全部采用设置基础装的方案进行。目前丹麦的大桥下部结构设计和施工技术已经处于世界领先地位。

桥梁大国日本，1970年，广岛大桥、神户的波特彼河大桥、歧阜县大桥、早漱大桥、新木曾川桥、日本港大桥等均采用了沉箱基础；1998年，日本建成了世界上跨度第一的明石海峡大桥，此桥采用了圆形设置基础。同时，钟形基础、多柱式基础、锁口钢管桩基础在日本桥梁基础亦有所涉及和发展。

1.2 国内的桥梁下部结构形式

在我国，解放后桥梁建设才陆续开始，桥梁基础形式主要为沉井基础、管柱基础及钻孔灌注桩基础。例如：杭州钱塘江大桥采用了气压沉箱基础；长江上第一座桥梁，武汉长江大桥首创了管柱基础，鉴于其结构的优越性，国外亦先后把管柱基础应用于实际工程；南京长江大桥采用了沉井基础；襄樊汉江桥、枝城长江大桥和重庆长江大桥等均采用了沉井基础；北镇黄河大桥首次采用了灌注桩基础，随后这种基础类型在我国桥梁广泛采用[2]。

20世纪80年代，我国开始建设跨海大桥。厦门大桥首次采用以嵌岩钻孔灌注桩为桥梁下部结构基础；广东虎门大桥采用的基础形式亦是钻孔灌注桩基础，成为了我国连接珠江三角洲的重要交通工程；我国第一座具有国际影响力的东海大桥，其主通航跨基础采用钻孔灌注桩基础，对于非通航段采用了钢管桩基础，这种类型的基础充分考虑了适用性与耐久性，使造价与工期相互协调，是我国桥梁建设的典范。

世界上第三长的的桥梁和第二长跨海大桥――杭州湾大桥，开创了国内外大直径超长整桩螺旋钢管桩；上海长江大桥是世界最大的桥隧结合工程，采用了钢-混凝土组合结构作为桥下基础。随着我国跨海大桥工程项目的不断开工建设，积累的经验也会越来越丰富，下部结构的设计和施工也会越来越成熟。

2 桥梁下部结构设计内容

桥梁下部结构的设计大致分为：桥台的设计、桥墩的设计、高墩的设计、防撞结构设计、及耐久性等设计。桥梁下部结构设计的好坏，关系着整个工程的质量，下部结构的设计需要做到“合理”，而不是可行。为此，针对上述设计内用予以合理性的分析。

2.1 桥墩与桥台的设计与计算

对于墩台的设计，首先应确定作用在墩台上的荷载，各荷载和外力的计算值，应采用墩台在正常情况下结构上有可能出现的最大荷载值。土压力计算一般采用库伦主动土压力公式，而不是郎肯土压力计算，这在设计中应给与重视，不要用错计算方法，这两种计算方法有着本质的区别：垦理论是根据土体中各点处于平衡状态的应力条件直接求墙背上各点的土压力.要求墙背光滑，填土表面水平，计算结果偏大.而库仑理论是根据墙背与滑动面间的楔块型处于极限平衡状态的静力平衡条件求总土压力.墙背可以倾斜，粗糙填土表面可倾斜，计算结果主动压力满足要求，而被动压力误差较大.朗肯理论是考虑墙后填土每点破坏，达极限状态；库仑理论则考虑滑动土体的刚体的极限平衡。活载土侧压力的计算，铁路桥台要考虑其沿横桥向的分布宽度，而公路桥台则按横桥向全宽均匀分布处理。墩台所受的各项荷载中，除恒载外，其他各项荷载的数值是变化的且不一定同时发生。因此在设计墩台时，就需要针对不同的验算项目，确定各种可能的最不利荷载组合，对墩台加以验算，确保设计安全。在荷载组合当中，车辆活载起着支配作用。重力式桥墩计算中，一般需验算墩身截面的强度、墩身截面的合力偏心距及桥墩的纵向及横向稳定性[3]。

2.2 高墩的设计

在桥梁设计中，对于较矮的桥墩，设计中预先考虑的是桥墩的强度，而对于高墩的桥梁，设计的重点集中于桥墩的具体高度、稳定性及墩顶弹性水平位移的验算。其设计方法与桥墩的设计方法大致相同。

2.3 防撞结构设计

防撞结构的设计主要应对的大面积流水对桥墩的撞击力、大面积流冰堆积现象、流水对桥墩的磨损以及过往船只的撞击力等对桥墩的危害。针对流水及流冰的撞击，在中等以上流冰河道（冰厚大于0.5m，流水速度大于1m/s）及有大量漂流物的河道，应在迎水方向设置破冰棱体；航宇繁忙的河道，船只的过往及船体的失控或能见度较低都会造成传播与桥墩相撞，为此桥墩设计中不但要有一定的抗船舶冲击荷载的能力，还应进行缓冲和保护设计，预防或改变船只冲击荷载的方向或减少对桥墩的冲击荷载，不使其破坏。以东海大桥为例，其主墩的防撞设计为钢筋混凝土防撞墩的形式，采用钢管桩基础，位于主墩的东西两侧设有防撞墩，护舷牛腿设在防撞墩与主墩承台之间用以将强整体稳定性，每个防撞墩内采用壁厚20mm，直径1300mm的螺旋焊缝钢管作为防撞桩，以应对流水、流冰及船舶的撞击。

2.4 耐久性设计

桥梁下部结构的耐久性设计分为：承台与墩柱的耐久性设计、管桩的耐久性设计、钻孔桩的耐久性设计等。不同地域、不同环境会引起桥梁下部结构的不同腐蚀，腐蚀严重与否直接关系到整个桥梁的安全。承台与墩柱的耐久性设计采用富裕余量、被覆防护材料和涂料、阴极保护等；管桩的耐久性设计可采用包覆层保护、选用高耐久性混凝土提高密实度，减少孔隙率、增加混凝土保护层厚度等方法；钻孔灌注桩的混凝土靠自重压密，因此其密实性难以与经过振捣密实的混凝土相比，为增加钻孔灌注桩的防腐性能，可适当增大钢筋保护层的厚度（至少为75mm），并在灌注桩上部采用掺合料混凝土提高混凝土的密实度[4]。根据腐蚀区域的划分，承台及墩柱结构主要位于浪溅区，将遭受比较强烈的腐蚀作用。采用适当的混凝土保护层厚度，保护层厚度可参考交通部（（海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》中的有关规定，并根据高性能混凝土的设计模型FICK定律来确定一个合适实际需要的保护层厚度。

3 结语

总体讲，在建桥梁工程，其下部结构设计得是否良好关系着桥梁的成本、质量及工期。故设计人员进行桥梁下部结构设计是，要从实际情况出发，注重对桥梁下部结构的合理性设计和概念设计，以保障桥梁质量以及后期的使用安全。

参考文献

[1] 吉亚祥.桥梁的下部结构设计讨论[J].江西建材，2015（2）：132.

[2] 达瓦桑布，旦增赤列.浅述桥梁下部结构设计要点[J].城市建筑，2014（6）：263，283.

[3] 邓含.桥梁下部结构设计相关问题探究[J].黑龙江交通科技，2014（6）：75，77.

[4] 张春光，付晓宣.试析桥梁的下部结构设计[J].科技风，2012（4）：102.