桥梁下部结构设计探微

曾宪义

摘要：桥梁是交通工程的重要枢纽，桥梁工程设计关系到桥梁工程建设质量，一旦出现问题，就会引发严重后果。本文主要分析在地震灾害对两种桥梁结构产生的作用，通过对比分析确定科学的下部结构设计方案，为提升桥梁工程建设质量提供参考。

关键词：桥梁；下部结构；地震；设计

地震灾害不仅会直接破坏桥梁结构本身，同时意味着通往灾区的生命线也将中断，最终造成极为严重的后果[1]。所以，人们越来越关注桥梁结构其抗震性能。目前我国已经制定了相关的准则[2]。尤其需要注意的是，在地震作用下桥梁基础即便是出现了损伤也是比较难发现的，同时也很难对其进行修复。因此，为了确保桥梁的质量，在设计桥梁的时候必须要满足抗震性的要求，但是这會使得桥梁建设中基础部分的成本大幅增加[3]。但是在具体操作中，还是存在部分设计人员根据传统的经验实施设计，引起不必要的浪费。

一、地震载荷作用

本文选取了两种不同类型的梁结构，根据不同的墩高分别是一联为4×30m简支转连续PC小箱梁，另外一联为17.5+21++21+17.5m RC现浇连续梁，希望能够确定2种桥梁下部结构其受力规律。

（一）4×30m简支转连续PC小箱梁

该对象其单幅桥宽为17m，单向有4个车道。根据文件常规桥梁通常为B、C类桥梁。针对某一特定桥梁而言，如果已经确定了抗震重要性系数之后，会对地震力大小造成影响的主要因素就是场地系数和地震烈度。现在针对地震Ⅶ度区，根据Ⅱ类场地以及Ⅲ类场地分别实施计算。其中桥梁抗震重要性系数依据高速公路桥梁来进行选择：E1级和E2级分别为0.5和1.7；地基土m值选择5000。

（二）17.5+21++21+17.5m RC现浇连续梁

该对象桥宽为10m，单向有2个车道；地震烈度以及场地类别分别为Ⅶ度和Ⅲ类，其中桥梁抗震重要性系数依据高速公路桥梁来进行选择：E1级和E2级分别为0.5和1.7。

根据计算的结果可以知道，对于采用板式橡胶支座的PC小箱梁桥而言，其在Ⅱ类场地的时候，E1地震力和正常使用情况相比较而言常规荷载小；而在Ⅲ类场地的时候，E1地震力与常规荷载相对较为接近；在某墩高范围以内，墩底弯矩随墩高增加而逐渐增大。对于RC现浇连续梁而言，在E1、E2地震力以及常规荷载条件下其制动墩墩底弯矩表现出不同的规律。在E2地震力作用的时候制动墩不但承受水平力，另外墩底弯矩随墩高增加是先增大后减小；而在E1地震力的时候，随着墩高的不断增加，在某一墩高范围内墩底弯矩和E2地震力作用下规律类似，一旦墩高超过某一高度之后，地震水平力降低至不能克服活动盆式支座的摩阻力，使得制动墩以及非制动墩同时受力，制动墩墩底弯矩降低到最小值，随着墩高的持续增加，墩顶地震水平力不断降低，墩底弯矩有变大的趋势；而在常规荷载作用的时候，随墩高的增加，墩底弯矩线性增加。

不管是在Ⅱ类场地还是在Ⅲ类场地的时候，在E2地震作用下，PC小箱梁以及RC现浇连续梁其墩底弯矩都比E1地震作用和常规荷载要大很多。此外，从上面的计算结果能够知道，墩高不同，对应的桥墩设计荷载也不一样，所以应该根据墩高对桥墩实施分类设计，以此来减少工程造价。

二、抗震思想下桥梁下部结构设计

根据相关要求，桩基础应该根据能力保护设计原则来进行设计，以确保基础在达到预期强度以前，墩柱进入塑性。桥梁基础沿顺桥向、横桥向的弯矩，轴力、剪力设计值都应该按照柱底可能出现塑性铰处的剪力设计值、弯矩承载能力以及相应的轴力来进行计算。

桥墩的纵向配筋必须要达到常规荷载作用下的强度以及抗裂要求，还需要达到E1地震荷载作用下的强度要求。桥墩的截面抗弯承载力直接由桥墩纵向配筋量来决定，进而影响桥墩在E2地震作用下是否可以进入塑性，最后决定桥梁基础其设计荷载。毫无疑问桥墩纵向钢筋越多则基础设计荷载就会越大。所以桥墩纵向钢筋配置不应该太多，只需要达到E1地震荷载作用以及常规荷载作用就可以了。就当前的情况而言，针对地震Ⅶ度区的PC小箱梁而言，在墩柱尺寸合理的情况下桥墩主筋截面配筋率通常为1%，而对于桩柱式桥墩桩基而言其主筋截面配筋率通常为1.3～1.5%。如果现浇箱梁制动墩采取桩柱式桥墩，那么桩基主筋截面配筋率需要超过2%，基础部分造价相对很高，宜实施抗震优化设计。

三、抗震优化设计

（一）4×30m简支转连续PC小箱梁其下部结构方案的比较和选择

本文主要针对墩高13m的情形，选择不同类型的基础方案实施经济技术比较，以期能够获得一条该桥型基础优化设计思路。

4×30m简支转连续PC小箱梁的桥宽为17m，采取的是两根直径为1.6m的墩柱，两根柱之间的距离为9m，其中桩基按照摩擦桩进行考虑。3种基础形式分别如下（其中墩柱尺寸不变）：

基础方案1：桩柱式桥墩，在每个桥墩下面接一根直径为1.8m的钻孔灌注桩，且在桩顶设置系梁。

基础方案2：在每个桥梁墩柱下面接上2根直径为1.2m的钻孔灌注桩；也就是说一个桥墩总共有4根直径为1.2m的钻孔灌注桩，且在桩顶设置哑铃型承台。

基础方案3：在每个桥墩下面接上5根直径为0.6m的打入桩，也就是说一个桥墩总共有10根直径为0.6m的PHC预制管桩。

在地震Ⅶ度区，Ⅲ类场地的情形下，取13m墩高对墩柱实施配筋设计，对于每根直径为1.6m的墩柱都配置40根直径为25mm的HRB335型号钢筋。依照能力保护构件实施基础抗震设计，其中基础方案1、2、3的设计结果分别如下：

基础方案1：2根直径为1.8m的钻孔灌注桩，每根桩基主筋需要配置40根直径为32mm的钢筋，主筋截面的配筋率约为1.3%；

基础方案2：4根直径为1.2mm的钻孔灌注桩，每根桩基主筋需要配置24根直径为22mm的钢筋，主筋截面的配筋率约为0.8%；

基础方案3：10根AB型直径为0.6m的PHC预制管桩。

（二）17.5+21++21+17.5m RC现浇连续梁其下部结构方案的比较和选择

在设计制动墩以及非制动墩的时候应该区别对待。一般而言，连续梁的下部结构都是由一个制动墩加上几个非制动墩构成。大部分地震荷载由制动墩承担，而非制动墩承担的地震荷载非常小，约等同于动摩擦力大小。制动墩在常规荷载作用下还是会分担绝大部分的水平力。但是在实际操作中，很多设计人员都是将制动墩和非制动墩同等对待，按照同等强度实施设计，引起不必要的浪费。因此，针对制动墩和非制动墩进行区别设计是非常有必要的。另外，建议采取适当的支座使得多墩同时承受水平力。

对于桥墩柔度较大的连续梁而言可以采取板式橡胶支座或者是LRB板式橡胶支座，确保连续梁的水平地震荷载以及常规水平荷载能够平均的分配到各个桥墩中，避免制动墩承担全部的载荷。如果将水平荷载平均分配到各个桥墩中，那么各墩所承受的水平荷载将会比原制动墩所承受的水平荷载小很多。

根据计算结果可以看出，使用LRB支座之后，桥墩的设计荷载和原制动墩的设计荷载相比较降低了将近50%。

通过对比可以发现，针对常规中、小跨径现浇连续梁桥而言，使用板式橡胶支座或者LRB橡胶支座能够把水平荷载平均的分配到各个桥墩中来，对原有的载荷模式进行了改变，在符合抗震以及使用要求的条件下，降低工程造价。

四、结束语

综上所述，笔者针对抗震情况下市政桥梁下部结构选型与设计方案进行了研究，具有重要的现实意义。现代桥梁设计中都要求其具备较高的抗震性能，随着相关文件的颁布，对于桥梁设计抗震性要求越来越高，因此，做好现代桥梁设计抗震性能需要不断的进行努力。

参考文献：

[1]韩冰.论述桥梁下部结构设计[J].科技资讯，2009（16）：104.

[2]罗余良.讨论桥梁下部结构的选型及设计[J].河南建材，2010（1）：126～127.

[3]马宏伟，肖莹.市政桥梁下部结构施工技术[J].科技致富向导，2013（29）：267.endprint