徐凱耀
摘 要:文章結(jié)合了一座超高填土肋板式橋臺的工程實例設(shè)計,介紹了超高填土肋板式橋臺的受力特點及設(shè)計要點,分析并總結(jié)了其設(shè)計時需驗算的主要內(nèi)容,以期為同類型橋臺的設(shè)計提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:超高填土;肋板式橋臺;結(jié)構(gòu)計算
1 概述
隨著城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn),社會對交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求越來越高,部分處于平原微丘區(qū)甚至山嶺重丘區(qū)的城市也對城市交通基礎(chǔ)設(shè)施有了較高的要求。在部分地形起伏較大且地基基礎(chǔ)較好的地區(qū),為滿足橋梁使用功能并減少橋梁的造價,有時會利用臺后高填土來減少橋梁結(jié)構(gòu)的長度。因此,橋臺將承受較大的土壓力,如不采取有效措施,將危及橋梁安全。
2 高填土橋臺的特點及可選結(jié)構(gòu)形式
由于填土高度較大,橋臺承受的土壓力急劇增大,在橋臺受力中占有較大的比重。同時上部結(jié)構(gòu)偏心荷載及水平力(溫度影響力、混凝土收縮及徐變影響力、支座摩阻力及汽車制動力)對橋臺的彎矩也隨橋臺高度增加而增加。
常見高填土橋臺結(jié)構(gòu)形式:
2.1 重力式U型橋臺
重力式U形橋臺的優(yōu)點是構(gòu)造簡單、受力明確、施工方便,可以用混凝土或片、塊石砌筑;同時U型橋臺臺前無需溜坡,當(dāng)填土高度較大時對橋墩不產(chǎn)生影響。但是,由于U型橋臺體積大、重量大,容易造成由于地基的壓密下沉而引起的基礎(chǔ)沉降,若地基土不良或經(jīng)常受到地下水位升降等因素影響有可能產(chǎn)生不均勻沉降,從而造成橋臺開裂;另外,U型橋臺中空填土部分容易積水,冰凍后產(chǎn)生膨脹而使墻身產(chǎn)生裂縫;對于混凝土或片石混凝土U型橋臺,在施工過程中還易產(chǎn)生溫度裂縫和施工縫;同時,U型橋臺基礎(chǔ)較大,在地形起伏較大的山區(qū)施工均為困難。因此,高填土U型橋臺在工程實施中存在的病害較多,局限性較大,后期維修加固費用較高。
2.2 框架式橋臺
框架式橋臺是一種在橫橋向成框架式結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)輕型橋臺,優(yōu)點是所受的土壓力較小,可用于地基承載力較低、臺身較高、跨徑較大的梁橋,但臺前需設(shè)置溜坡深入橋孔,因而會壓縮河道,占地較多。
適用于高填土橋臺情況的橋臺構(gòu)造形式主要有樁柱式和肋板式兩種。
樁柱式橋臺一般為埋置式,對于各種土質(zhì)地基都適宜。樁柱式橋臺由于可以先填土后進(jìn)行樁基施工,因此填土較密實,能有效減少填土沉降及臺后填土對橋臺產(chǎn)生的水平推力。
2.3 肋板式橋臺
肋板式橋臺穩(wěn)定性較好,但通常要用雙排樁基,鋼筋、混凝土用量均較樁柱式多。
2.4 組合式橋臺
為使橋臺輕型化,橋臺本身主要承受橋跨結(jié)構(gòu)傳來的豎向力和水平力,臺后的土壓力由其他結(jié)構(gòu)來承受,從而形成了組合式橋臺。常見的組合式橋臺有加筋土組合橋臺、錨碇板式橋臺等形式。組合式橋臺一般受力較明確,在理論上具有一定的優(yōu)勢,但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工較麻煩,因而在實際工程中使用并不多,在實踐上經(jīng)驗還不成熟。
3 工程實例
3.1 工程背景
某山區(qū)橋梁,地形復(fù)雜,且因交通需要需在橋臺處設(shè)置平交口,造成橋臺填土高度達(dá)到18.5m。橋墩側(cè)橋梁需跨越港口隧道(皮帶機(jī)通道),為保證隧道正常使用,需對臺前溜坡作出限制。同時,本工程處于近海區(qū)域,環(huán)境類別為近?;蚝Q蟓h(huán)境,作用等級D、E級,對結(jié)構(gòu)耐久性有較高的要求。由于本橋與已建成皮帶機(jī)隧道線位相交,且主體結(jié)構(gòu)間距離較近,為確保已建成隧道的安全,必須保證橋臺樁基與隧道二襯結(jié)構(gòu)距離不超過5.8m,承臺不得侵占隧道二襯結(jié)構(gòu)。為此,需將承臺抬高設(shè)計成高樁承臺。同時,橋臺所處位置橫橋向地面存在8.9m高差,在設(shè)計時保守地按照較低的地面高程計算,地面以上的樁基將達(dá)到9.2m,給設(shè)計帶來了極大的困難。經(jīng)過多次試算和論證,本橋臺采用肋板式橋臺,5×3A1.8m樁基礎(chǔ),肋板高2.2m,承臺厚2.5m,臺前設(shè)置一道樁板式擋土墻。其立面和平面圖如圖1、圖2所示。
3.2 設(shè)計資料
本橋上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁,跨徑35m,共8片箱梁均布設(shè)置。設(shè)計荷載為城-A級;臺帽采用C40海工混凝土,臺身、前墻、側(cè)墻、耳墻、承臺、樁基均采用C30海工混凝土。臺后及溜坡填土γ=19KN/m3,填土內(nèi)摩擦角30°。橋臺處工程地質(zhì)條件較好,地基巖土層可分兩層:拋石;中風(fēng)化變粒巖。
3.3 計算分析
由于本橋臺受力復(fù)雜,必須對橋臺所受荷載進(jìn)行簡化。經(jīng)過研究分析,確定簡化原則如下:
(1)上部結(jié)構(gòu)(組合箱梁)恒載及彎矩按實際情況進(jìn)行計算,簡化后的集中力通過支座傳遞到橋臺。
(2)下部結(jié)構(gòu)(耳墻、牛腿、背墻、擋塊、臺帽、肋板、承臺、頂板)恒載及彎矩按實際情況進(jìn)行計算,簡化后的集中力作用在承臺底中心。
(3)土重力只計算肋板后土重力及肋身間部分土重力恒載及彎矩,忽略臺前土重力,組合后的集中力作用在承臺底中心。
(4)土壓力:分別計算背墻范圍、肋板范圍及承臺范圍土壓力,將計算結(jié)果組合為豎直力、水平力及彎矩。
(5)汽車荷載:考慮豎直力及順橋向彎矩。
(6)支座摩阻力:取摩阻系數(shù)0.06計算其水平力及彎矩。
(7)樁側(cè)部分土壓力:考慮到承臺設(shè)計標(biāo)高高于原地面9.2m,在原地面以上形成9.2m的“懸空樁”,必須考慮到后填土對樁基的影響,將樁側(cè)土壓力簡化為線性荷載施加在樁側(cè)。
(1)上部結(jié)構(gòu)(組合箱梁)恒載及彎矩。
(2)下部結(jié)構(gòu)(耳墻、牛腿、背墻、擋塊、臺帽、肋板、承臺、頂板)恒載及彎矩。
(3)土重力(含肋板后土重力及肋身間土重力)恒載及彎矩,忽略臺前土重力。
(4)土壓力(含背墻范圍、肋板范圍及承臺范圍土壓力)豎直力、水平力及彎矩。
(5)汽車荷載,豎直力及順橋向彎矩。
(6)支座摩阻力(取摩阻系數(shù)0.06)水平力及彎矩。
經(jīng)組合,單列樁(共5列)使用極限狀態(tài)P=8694KN,H=996KN,M=9013KNm,承載能力基本組合P=8694KN,H=1161KN,M=10454KNm。
(荷載組合按照豎向力最小,水平力及彎矩最大原則。豎向力分項系數(shù)均取1,水平力及彎矩分項系數(shù)按規(guī)范選取,彎矩方向為逆時針)
樁側(cè)荷載為原地面以上至承臺底范圍內(nèi)樁側(cè)土壓力 q1=160KN/m,q2=277KN/m。
采用平面桿系軟件進(jìn)行分析,并在樁側(cè)施加土彈簧,變粒巖部分取m=15000000KN/m4,拋石部分取m=30000KN/m4,填土部分取m=3000KN/m4,計算結(jié)果如表1所示。
由此可見,本橋臺樁徑2m是可以滿足要求的。
4 結(jié)束語
(1)超高肋板式橋臺的臺背土壓力隨著深度呈線性變化,在設(shè)計中,需要考慮較大的土壓力作用,增加結(jié)構(gòu)剛度以保證結(jié)構(gòu)安全。
(2)由于臺后填土較高,樁基應(yīng)在臺后路基與錐坡填土按規(guī)定壓實填至路槽底后開挖進(jìn)行樁基和承臺的施工。
(3)超高橋臺臺前溜坡坡每8m高應(yīng)設(shè)-2m寬的平臺,增加臺前填土的穩(wěn)定性和加大填土的反向壓力。因本工程沒有設(shè)置溜坡的條件,必須在臺前設(shè)置擋土墻以保證穩(wěn)定。
(4)在必要情況下,可酌情考慮后填土對樁基的抗推作用。
參考文獻(xiàn)
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