整体式桥台桥梁设计要点研究
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摘要：分析了整体式桥梁在设计时需要考虑的结构与土体相互作用、结构产生的次应力、台后填土抵抗作用等显著特点，探讨了黑龙江富裕整体式桥台桥梁的结构设计和细部构造的特殊性设计，并对该桥的计算要点进行了简要分析，对该类型的桥梁设计给出了实际可行的建议。
关键词：整体式桥梁；桥梁设计；框架；结构－土的相互作用；土的水平抗力系数
中图分类号：U443．21文献标识码：B
近来，国内外整体式桥台桥梁(即没有接缝的桥梁)建造的越来越多。这是由于相比传统桥梁结构来说，这种桥梁在提高桥梁耐久性和行车的舒适性以及管养方面所占有的优势。众所周知，桥梁伸缩缝不仅极易磨损，而且维修费用很高。尽管这些设备的制造费在总建造费中仅占3%左右，但其养护费用却占整个结构总养护费用的12%左右。而且，磨损的伸缩缝也是桥梁结构受损的原因。例如，易漏的接缝会渗入解冻剂。而整体式桥台桥梁的诞生很好地解决了这一难题。其将上部结构和下部结构进行固结可得到最优化的利用，使得更小的截面和高跨比成为可能。这样，结构使用的材料少了，从美学角度看更吸引人；同时，由于上下部固结带来的内力和弯矩的重分布可提高结构承载能力，结构的稳定性也会提高。本文通过黑龙江富裕整体式桥台桥梁的设计，分析了整体式桥梁在设计时需要考虑的显著特点，探讨了整体式桥台桥梁的设计、计算和细部构造的特殊性设计。
1整体式桥梁在设计时需考虑的显著特点分析
(1)整体式桥梁结构中上下部结构连接在一起，整个结构嵌入在周围土地中，并与土体相互作用。
(2)由于变形受到约束，以及温度效应和支座的不均匀沉降，结构会产生次应力。次应力会影响整个结构的受力特性，特别是在正常使用极限状态下。
(3)对于预应力结构需要靠考虑到部分预加力并不会对上部结构产生作用，而通过下部结构直接传至基础。
(4)所产生的次应力很大程度依赖于结构几何形状、上下部结构的刚度比以及基础的刚度。对于上下部结构固结起来的结构，需要对结构和基础的刚度进行如实建模，从而通过计算模型可得到真实荷载。在模拟整体式桥的基础时，取用土的不利地质参数并不是一个保守的方法。事实上，如果基础刚度取得太小，温度效应和预应力效应产生的约束反力就会被低估，这就是整体式桥梁在计算约束反力时常需要考虑地质参数的上限值和下限值而分别计算的原因。
(5)承载能力极限状态下，混凝土结构开裂后其刚度减小，由约束产生的内力和弯矩会相应地减小。因此，选择恰当的构件截面形式可以在一定程度上控制所产生的次应力的大小。
(6)基本上不管约束力如何，整体式桥梁和有接缝的传统桥梁一样，温差作用下在纵桥向会经历相同的长度改变，但是，其伸缩不是通过设置的伸缩缝而得以减少，而是传递到桥台的台背后填土上。根据每次温差变化大小，桥台的背墙土会有向前方和后方的偏移，并且每年都有达到最大值。此外还需考虑因徐变和收缩产生的单向移动速率。
(7)施工结束后，即刻产生的静止土压力会因桥台首次离开土体方向的移动而缓解，即主动土压力。相反地，桥台向土体推移产生部分被动土压力，特别是在上层土体中。在温差变化下，这种周期性反复的移动会压实后背填土。除了下层土压力增大外，这种压实作用会使后背填土沉降。徐变和收缩引起的背填土离开土体方向移动，会进一步使后背填土沉降。因此，在不同跨径的整体式桥梁中会常采用不同形式的桥头搭板。
2富裕立交桥设计
2．1工程简介
富裕立交桥为黑龙江省第一座整体式桥台桥梁，坐落在嫩泰高速讷河至嫩江段K55+680处，该桥位于黑龙江省齐齐哈尔市富裕县境内，连接富裕县城与工业园区，重载车辆较多，建成于2009年10月，运营7年，状态良好。
2．2总体几何布置
基于桥位和跨越国道的要求，该桥设计为一座跨径布置为4×16m、桥宽为净12m的桥梁，该桥为直桥且桥梁的中轴线与桥下国道相交成90°的角，纵向位于半径R=2000m的竖曲线上。
2．3桥梁结构设计要点
富裕整体桥桥梁跨径为16m(共4孔)，桥梁全长70m。全桥不设伸缩缝，台梁固结。
(1)上部结构
上部结构采用先简支，后转墩(台)固结的整体式预应力混凝土空心板，桥台被墙与空心板梁端现浇段一体浇注。
(2)桥台
采用单排三柱式柔性桥台，构造图见图5所示，台梁固结，桩、台与梁共同受力。为解决台盖梁与台柱刚度变化大带来的台柱身易出现裂缝的问题，设计时在台柱身上部4m范围内设置了V字形承托；为有效解决桥台离开土体时台后填土侵入台土间的空隙和水侵蚀桥台的问题，设计时采取在台后涂刷改性沥青防水层；并设置泡沫塑料压缩层，进而减小台后土压力作用。
(3)桥墩
整体式桥梁的桥墩需承受较大的纵向位移，因此本桥在设计时采用D=1．2m的双柱式柔性桥墩，构造图见图6所示，以减小桥墩的刚度。为减小柱身的应力，设计时在横向柱身上部4m范围内设置了V字形承托，以增强柱身强度。
(4)基础
为了承担上部结构传递的位移，设计时采用了柔度比较好的钻孔桩基础。为减小因温度、冻胀等荷载引起的约束力，在距桩顶以下2～3m，桩侧1m宽范围内采用砂土进行换填。
(5)台(墩)梁结点处理
本桥在台(墩)梁处采用固接方式的结点，结点预留钢筋现浇混凝土的方式形成，将上部桥梁结构和下部桥台(墩)刚性相连在一起。
(6)搭板及台后填土处理
桥台两侧设置2×4m长搭板，两段间设置枕梁作为支撑。为适应水平位移，设两道宽变形缝。板底涂改性沥青以减弱板底面约束效应。为减小台后沉降并降低水害，采用水撼砂砾作为台后填料。台后填料应分层夯实碾压，压实系数应达到0．95以上。为解决台后排水问题，在台帽底设置两道横向排水盲沟。
3富裕整体式桥梁的计算要点简析
本桥为整体式桥梁，利用墩台的柔性，来适应结构的变形。在内力效应分析时，应考虑上部、下部与台后土的相互作用。本次设计采用TDV软件，建立二维弹簧～框架计算模型，见图9所示，来进行结构的内力效应计算。上部结构、墩台采用框架分析的内力效应进行设计；桩的设计，将框架分析的内力作用于桩顶，依然按《公路桥涵基础设计规范》的“m”法进行设计。该桥计算的关键是如何模拟土的水平抗力作用。本桥台后填土为中砂，设计时为模拟土体与结构的相互作用，将土的水平抗力系数作为受压弹簧单元的刚度输入模型。考虑到土层的多样性，该桥计算时采用“m”法计算土的水平抗力系数kh，其公式如下：
kh=m·z·b(1)
式中，m为各土层实测数据，z为土层的深度，b为结构计算宽度。
4结语
整体式桥梁以其良好的耐久性和无需经常维修而广受推崇。该类型桥梁在设计时需要结合结构与土体相互作用、结构产生的次应力、台后填土抵抗作用等受力特点，应采取有效的方法模拟土的水平抗力作用，有效考虑上部、下部与台后土的相互作用；并在具体结构构造上进行特殊设计，采取有效的处理措施，尽量减少次应力、台后填土作用的不利影响。
参考文献
［1］中华人民共和国交通部．JTGD60－2004公路桥涵设计通用规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［2］中华人民共和国交通部．JTGD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［3］中华人民共和国交通部．JTGD63－2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2007．
［3］黑龙江省公路勘察设计院，东北林业大学．富裕工业园整体式桥台桥梁施工图设计文件［Z］．2009
作者：赵云鹏 单位：东北林业大学土木工程学院 辽宁省交通规划设计院