整體式橋臺橋梁設計要點研究論文
摘要：分析了整體式橋梁在設計時需要考慮的結構與土體相互作用、結構產生的次應力、臺后填土抵抗作用等顯著特點，探討了黑龍江富裕整體式橋臺橋梁的結構設計和細部構造的特殊性設計，并對該橋的計算要點進行了簡要分析，對該類型的橋梁設計給出了實際可行的建議。
關鍵詞：整體式橋梁；橋梁設計；框架；結構－土的相互作用；土的水平抗力系數
中圖分類號：U443．21文獻標識碼：B
近來，國內外整體式橋臺橋梁(即沒有接縫的橋梁)建造的越來越多。這是由于相比傳統橋梁結構來說，這種橋梁在提高橋梁耐久性和行車的舒適性以及管養方面所占有的優勢。眾所周知，橋梁伸縮縫不僅極易磨損，而且維修費用很高。盡管這些設備的制造費在總建造費中僅占3%左右，但其養護費用卻占整個結構總養護費用的12%左右。而且，磨損的伸縮縫也是橋梁結構受損的原因。例如，易漏的接縫會滲入解凍劑。而整體式橋臺橋梁的誕生很好地解決了這一難題。其將上部結構和下部結構進行固結可得到最優化的利用，使得更小的截面和高跨比成為可能。這樣，結構使用的材料少了，從美學角度看更吸引人；同時，由于上下部固結帶來的內力和彎矩的重分布可提高結構承載能力，結構的穩定性也會提高。本文通過黑龍江富裕整體式橋臺橋梁的設計，分析了整體式橋梁在設計時需要考慮的顯著特點，探討了整體式橋臺橋梁的設計、計算和細部構造的特殊性設計。
1整體式橋梁在設計時需考慮的顯著特點分析
(1)整體式橋梁結構中上下部結構連接在一起，整個結構嵌入在周圍土地中，并與土體相互作用。
(2)由于變形受到約束，以及溫度效應和支座的不均勻沉降，結構會產生次應力。次應力會影響整個結構的'受力特性，特別是在正常使用極限狀態下。
(3)對于預應力結構需要靠考慮到部分預加力并不會對上部結構產生作用，而通過下部結構直接傳至基礎。
(4)所產生的次應力很大程度依賴于結構幾何形狀、上下部結構的剛度比以及基礎的剛度。對于上下部結構固結起來的結構，需要對結構和基礎的剛度進行如實建模，從而通過計算模型可得到真實荷載。在模擬整體式橋的基礎時，取用土的不利地質參數并不是一個保守的方法。事實上，如果基礎剛度取得太小，溫度效應和預應力效應產生的約束反力就會被低估，這就是整體式橋梁在計算約束反力時常需要考慮地質參數的上限值和下限值而分別計算的原因。
(5)承載能力極限狀態下，混凝土結構開裂后其剛度減小，由約束產生的內力和彎矩會相應地減小。因此，選擇恰當的構件截面形式可以在一定程度上控制所產生的次應力的大小。
(6)基本上不管約束力如何，整體式橋梁和有接縫的傳統橋梁一樣，溫差作用下在縱橋向會經歷相同的長度改變，但是，其伸縮不是通過設置的伸縮縫而得以減少，而是傳遞到橋臺的臺背后填土上。根據每次溫差變化大小，橋臺的背墻土會有向前方和后方的偏移，并且每年都有達到最大值。此外還需考慮因徐變和收縮產生的單向移動速率。
(7)施工結束后，即刻產生的靜止土壓力會因橋臺首次離開土體方向的移動而緩解，即主動土壓力。相反地，橋臺向土體推移產生部分被動土壓力，特別是在上層土體中。在溫差變化下，這種周期性反復的移動會壓實后背填土。除了下層土壓力增大外，這種壓實作用會使后背填土沉降。徐變和收縮引起的背填土離開土體方向移動，會進一步使后背填土沉降。因此，在不同跨徑的整體式橋梁中會常采用不同形式的橋頭搭板。
2富裕立交橋設計
2．1工程簡介
富裕立交橋為黑龍江省第一座整體式橋臺橋梁，坐落在嫩泰高速訥河至嫩江段K55+680處，該橋位于黑龍江省齊齊哈爾市富裕縣境內，連接富裕縣城與工業園區，重載車輛較多，建成于2009年10月，運營7年，狀態良好。
2．2總體幾何布置
基于橋位和跨越國道的要求，該橋設計為一座跨徑布置為4×16m、橋寬為凈12m的橋梁，該橋為直橋且橋梁的中軸線與橋下國道相交成90°的角，縱向位于半徑Ｒ=2000m的豎曲線上。
2．3橋梁結構設計要點
富裕整體橋橋梁跨徑為16m(共4孔)，橋梁全長70m。全橋不設伸縮縫，臺梁固結。
(1)上部結構
上部結構采用先簡支，后轉墩(臺)固結的整體式預應力混凝土空心板，橋臺被墻與空心板梁端現澆段一體澆注。
(2)橋臺
采用單排三柱式柔性橋臺，構造圖見圖5所示，臺梁固結，樁、臺與梁共同受力。為解決臺蓋梁與臺柱剛度變化大帶來的臺柱身易出現裂縫的問題，設計時在臺柱身上部4m范圍內設置了V字形承托；為有效解決橋臺離開土體時臺后填土侵入臺土間的空隙和水侵蝕橋臺的問題，設計時采取在臺后涂刷改性瀝青防水層；并設置泡沫塑料壓縮層，進而減小臺后土壓力作用。
(3)橋墩
整體式橋梁的橋墩需承受較大的縱向位移，因此本橋在設計時采用D=1．2m的雙柱式柔性橋墩，構造圖見圖6所示，以減小橋墩的剛度。為減小柱身的應力，設計時在橫向柱身上部4m范圍內設置了V字形承托，以增強柱身強度。
(4)基礎
為了承擔上部結構傳遞的位移，設計時采用了柔度比較好的鉆孔樁基礎。為減小因溫度、凍脹等荷載引起的約束力，在距樁頂以下2～3m，樁側1m寬范圍內采用砂土進行換填。
(5)臺(墩)梁結點處理
本橋在臺(墩)梁處采用固接方式的結點，結點預留鋼筋現澆混凝土的方式形成，將上部橋梁結構和下部橋臺(墩)剛性相連在一起。
(6)搭板及臺后填土處理
橋臺兩側設置2×4m長搭板，兩段間設置枕梁作為支撐。為適應水平位移，設兩道寬變形縫。板底涂改性瀝青以減弱板底面約束效應。為減小臺后沉降并降低水害，采用水撼砂礫作為臺后填料。臺后填料應分層夯實碾壓，壓實系數應達到0．95以上。為解決臺后排水問題，在臺帽底設置兩道橫向排水盲溝。
3富裕整體式橋梁的計算要點簡析
本橋為整體式橋梁，利用墩臺的柔性，來適應結構的變形。在內力效應分析時，應考慮上部、下部與臺后土的相互作用。本次設計采用TDV軟件，建立二維彈簧～框架計算模型，見圖9所示，來進行結構的內力效應計算。上部結構、墩臺采用框架分析的內力效應進行設計；樁的設計，將框架分析的內力作用于樁頂，依然按《公路橋涵基礎設計規范》的“m”法進行設計。該橋計算的關鍵是如何模擬土的水平抗力作用。本橋臺后填土為中砂，設計時為模擬土體與結構的相互作用，將土的水平抗力系數作為受壓彈簧單元的剛度輸入模型。考慮到土層的多樣性，該橋計算時采用“m”法計算土的水平抗力系數kh，其公式如下：
kh=m·z·b(1)
式中，m為各土層實測數據，z為土層的深度，b為結構計算寬度。
4結語
整體式橋梁以其良好的耐久性和無需經常維修而廣受推崇。該類型橋梁在設計時需要結合結構與土體相互作用、結構產生的次應力、臺后填土抵抗作用等受力特點，應采取有效的方法模擬土的水平抗力作用，有效考慮上部、下部與臺后土的相互作用；并在具體結構構造上進行特殊設計，采取有效的處理措施，盡量減少次應力、臺后填土作用的不利影響。
參考文獻
［1］中華人民共和國交通部．JTGD60－2004公路橋涵設計通用規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［2］中華人民共和國交通部．JTGD62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［3］中華人民共和國交通部．JTGD63－2007公路橋涵地基與基礎設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2007．
［3］黑龍江省公路勘察設計院，東北林業大學．富裕工業園整體式橋臺橋梁施工圖設計文件［Z］．2009
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