国外桥台桥梁设计

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作者：赵长军 邬宁 雷波 单位：浙江省交通规划设计研究院

英国整体式桥梁结构形式

英国通过多年的工程实践证明了整体式桥梁不但可成功消除支座和伸缩缝带来的问题，而且具有良好的经济性。这种新型桥梁结构体系的关键是需要处理好结构与岩土之间复杂的作用，并根据其受力机理对整体式桥梁的桥台、桥墩、支座等结构形式作出调整。

1整体式桥台

整体式桥梁无伸缩缝，边跨上部结构与桥台在结构上为一个整体，因温度升降和制动力引起的梁体纵向位移由桥台、台后填土或桥墩来承受，因而桥台受力复杂。根据不同的工程地质和地形条件，英国发展了多种类型整体式桥台结构（见图1）。（1）框架式桥台。框架式桥台承受桥梁的垂直荷载，同时作为路堤挡墙。它与桥梁上部结构连接成一个整体，传递弯矩、剪力和轴力。为了计算温度变形和土压力，假定桥台可整体绕其基础转动。（2）嵌入式桥台。嵌入式桥台由隔墙构成，包括连续墙、咬合桩或板桩挡土墙，以作为桥梁支撑。隔墙底部嵌入到持力土层一定深度，以限制它的摆动。（3）路堤垫式桥台。路堤垫式桥台适用于路堤填土低、边跨端部支撑可采用浅基础的情况，同时兼作挡土墙。该桥台在桥面板热胀冷缩过程中会发生水平移动，故其必须具有足够的重量，同时边跨应具有足够的柔性，以避免因活载或不均匀沉降导致桥台翘起。（4）端头板式桥台。端头板式桥台是与桥面板端部整体浇筑的幕墙式结构，只相当于挡土墙，用来抵抗路堤土压力并传递纵向荷载，但不能承担垂直荷载。桥面板上的垂直荷载由独立的支撑来承担，该支撑需位于距端头板2m范围内，以限制端头板因边跨发生挠曲产生的竖向位移。端支撑可以在结构上保证端头板水平向自由位移，也可以在结构上和桥面板连接，但必须保证其能够抵抗基础与路堤间相对位移所产生的土压力。

2桥墩

整体式桥梁的桥墩可设计成与上部结构固结（一起水平移动）或通过设置支座允许桥梁上部结构与桥墩发生相对位移。对于墩梁固结，桥墩要有足够的柔性以适应因温度变化产生的位移。

3上部结构

中、小跨径桥梁通常采用预制结构，包括预应力混凝土结构，欧美等国家通常是工厂化预制先张预应力混凝土板梁、箱梁或T梁；国内多采用预制后张预应力混凝土空心板梁或小箱梁。多跨整体式桥梁的各跨之间不设伸缩缝，可做成桥面连续或结构连续。相邻跨之间形成桥面连续或结构连续有多种方法。在国外，通常采用普通钢筋连接相邻两跨预制梁做成部分的结构连续；在国内，通常采用在相邻两跨预制梁之间张拉预应力束做成完全的结构连续。

4支座

当整体式桥梁采用支座时，设计中应采取相应的措施，以便于进行检查、必要的试验或监控以及支座将来的更换。支座的更换应在不需要对桥上交通作任何限制或对桥梁作任何结构上调整的前提下进行，并保证操作安全。为了便于检查和更换，支座细节设计应考虑在支座周围预留顶起位置和提供足够的操作空间。

5基础

整体式桥台可以采用扩大基础或桩基础。桩基础应能承受梁体轴向荷载产生的桥台侧向位移，以及因桩或地基土的位移产生的作用力。对可能发生水平位移的基础禁止使用斜桩。在垂直荷载作用下可能发生滑动的基础，如路堤垫式桥台等的基础，其基底压应力不应大于非滑动基础受到同样荷载时预期承载力的50％，以防止其在滑动时发生沉降。

6翼墙

与桥台连接的翼墙尺寸应尽可能小，以减少桥面热膨胀时与桥台一起位移的结构重量和土方数量。当大的翼墙与较长的整体式桥台一起使用时，桥台应可以独立摆动或滑动。

荷　载

1荷载和材料系数

整体式桥梁设计要考虑由升温和其它纵向荷载（如结构约束）引起的土压力和摩擦力产生的效应，还应考虑由降温、结构约束和滑移产生的轴向拉力效应。英国公路桥梁荷载标准规定，桥台上的土压力作为永久荷载，在承载能力极限状态和正常使用极限状态下基本组合荷载分项系数γfL分别为1．5和1．0。作用在桥台上的土压力系数应乘以材料分项安全系数γm：台后填土对桥台作用不利时γm＝1．0；抵抗制动力等次要荷载，台后填土对桥台作用有利时γm＝0．5。

2温度作用

在英国，整体式桥梁边跨与桥台合龙温度为平均温度±10℃范围内，平均温度为根据公路桥梁荷载标准规定的极端最低和最高遮阴气温算得的平均值。对于混凝土和组合桥面板，混凝土的热膨胀系数可取为0．000　012／℃。轻骨料混凝土和其它材料的热膨胀系数有可能明显低于0．000　012／℃，在经过验证的情况下，可以采用较低的热膨胀系数。曲线桥梁或不对称桥梁的温度位移大小与温度位移零点位置有关，零点位置可以通过对桥墩和桥台的水平刚度分析确定。

土压力计算

在英国设计整体式桥梁时采用的土压力计算方法是根据试验和数据分析得出的。

1土的强度指标、墙面与填土之间的摩擦角

因温度变化导致桥面板伸缩引起桥台后填土往复运动，增加了填土密实度，提高了粒状土的刚度。即使填土开始较松散，在结构的使用周期内也会逐渐变得密实。在设计中填土的有效内摩擦角峰值′peak和有效粘结力峰值c′peak的代表值采用压实度为95％时的相应值。对于传统挡土墙，计算主动和静止土压力系数时，tan′的设计值采用tan′peak的代表值除以系数M，即tan′＝tan′peak／M，其中M＝1．2。然而整体式桥梁桥台朝填土方向位移后，填土对桥台产生的被动土压力将对桥台受力产生不利的影响。因此，计算被动土压力时，根据Eurocode　7中第2．4．2条规定，采用1个小于1．0的系数，即令M＝1／1．2。系数M不仅可考虑填土性能的变化，还可以确定被动土压力的上限值。当明确填土类型和′peak的上限值后，可以通过论证将M值提高，最大为1．0。完成上述工作后，必须进行填土的现场试验，以验证材料的特性是否符合设计要求。墙面与填土之间摩擦角δ＝′／2。

2不同结构形式桥台的土压力

针对不同结构形式的桥台，整体式桥梁设计手册推荐了几种随深度变化的土压力分布情况。

2.1台背前倾的整体式桥台

台背前倾的整体式桥台［见图1（b）］在向路堤方向位移过程中所引起的被动土压力比台背竖直情况要低得多，而台背后倾引起的被动土压力则要高一些。当有效内摩擦角′增大时，被动土压力系数Kp随之快速增加。如果对′估值过低，将严重低估热膨胀引起的土压力荷载；如果对′估值过高，则会高估桥台对纵向制动力的抵抗能力。如果对′估值正确，并使用较高质量的回填材料，就可以避免由此产生的不利影响，也没必要再使用繁琐的材料分项安全系数γm。Kp值可根据′peak和δ从Eurocode　7或类似的表格中选取。

2.2路堤垫式桥台和端头板式桥台

路堤垫式桥台或端头板式桥台的高度通常是3m，被动土压力较小，其对桥台设计影响不大。但由于桥台的位移方式（平动、转动或二者组合），在回填土中会产生较大的剪应变。使用式（1）表示土压力系数K＊、挡土墙高度H和桥台顶部的温度位移d之间的关系。K＊＝K0＋（d／0．025　H）0．4　Kp（1）式中，K0为静止土压力系数；Kp为被动土压力系数。

2.3框架式桥台

随着桥台高度的增加，作用在台背上的被动土压力增大，所以桥台既要确保能够抵抗台后土压力，同时又要具有足够的柔性以适应位移变化。对于门式框架结构，台后土压力分布可按类似计算回填压实强度的方法来计算。但是，对于整体式桥台，墙面摩擦力将导致分布在墙体上部的土压力较高，并且向下的影响深度会比压实作用的要大。建议框架式桥台土压力分布情况见图2。图2　框架式桥台土压力分布示意图2中，台背上半段高度范围内采取统一值K＊。由K＊变化为K0的区段，侧向土压力保持不变；土压力系数降至K0，此深度以下的土压力根据场地K0值计算。K＊应按式（2）计算。K＊＝（d／0．05　H）0．4　Kp（2）

式（2）由静力试验得出，该公式本身低估了土在往复作用下的强度，但已经采取了合适的土体强度参数来补偿这种偏差。同时要求K＊值不应小于静止土压力系数值K0＝0．6。对于底部铰接的门式框架结构，K＊应按式（3）计算。K＊＝K0＋（d／0．03　H）0．6　Kp（3）

2.4嵌入式桥台

嵌入式桥台的隔墙通常设置在未受扰动的黏土层中。如果黏土超固结，隔墙产生很小的位移就可以引起很大的被动土压力，但混凝土桥面板的初始收缩可弥补这一缺陷，它可以帮助降低原位土中的应力。对于嵌入式桥台，土压力分布见图3。图3　嵌入式桥台土压力分布示意图3中，墙顶部以下2／3高度范围内采取统一值K＊。当K＊降至K0的区段，侧向土压力保持不变；土压力系数降至K0，此深度以下的土压力根据场地K0计算。K＊应按式（4）计算。K＊＝（d／0．05　H）0．4　Kp（4）

计算桥面板热膨胀引起的被动土压力时可忽略活载的影响。短期活载作用下的土压力应按静止土压力系数K0＝1－sin′来验算，其中′为有效内摩擦角。桥面板降温收缩时桥台受到的主动土压力与被动土压力相比很小，可以忽略。

台后填土及排水

1填料

整体式桥台的回填材料应采用易于排水、经过挑选的粒料，其性能和级配应符合英国公路工程规范表6／1中6N级或6P级标准。回填材料应按照规范要求进行压实，以限制由于结构温度变化所产生的填土沉降。英国规范对台后填料的整体刚度作出了折中的规定。总的来说，由具有单一级配的圆角料压实而成的粒料可达到的有效内摩擦角峰值′仅为35°，可以满足温度膨胀并且不会引起过大的土压力，但采用这种材料易产生沉降。若采用压实的具有良好级配的硬质有棱角粒料，其有效内摩擦角峰值可高达55°，对热膨胀有较大的阻力，但不易产生沉降。按照英国公路工程规范进行试验，对于长度超过40m的整体式桥梁的回填粒料，要求其有效内摩擦角峰值不大于45°。粒料回填区应从桥台背墙底部往上开始，并形成一个与桥台背墙夹角不小于45°的坡面。

2排水

沿柔性路面与桥台交界面的面层下应设置排水系统，且至少应具有2％坡度并易于清洁。可渗透回填土内应设置1个直径不小于150mm的排水管来排水，坡度大于2％。

结语

整体式桥梁设计手册（BA　42／96）是英国道路与桥梁设计手册的一部分，1996年，2003年进行了第1次修订。该设计手册对整体式桥梁设计进行了详细规定，促进了整体式桥梁的应用和发展。我国对整体式桥梁的科研和实践起步较晚，已建成的该类桥梁数量很少，工程设计人员对这种新型桥梁结构尚不熟悉。因此借鉴英国整体式桥梁建设经验，在国内中、小跨径桥梁建设中推广应用这种新型结构，希望产生良好的经济和社会效益。