李敏峰 李 穎 馬丁紅

（1.河北建筑工程學(xué)院土木系，河北 張家口075024；2.北方工程設(shè)計研究院建筑工程設(shè)計五所，河北 石家莊050000；3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

0 引 言

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，關(guān)于橋臺的選型可根據(jù)主梁的跨徑、路基的填土高度、橋臺位置地質(zhì)情況的不同而采取不同的形式.常見的橋臺形式有重力式橋臺，輕型橋臺，框架式橋臺和組合式橋臺［1］.隨著公路和鐵路建設(shè)標(biāo)準和等級的提高，高速鐵路和公路中的橋梁結(jié)構(gòu)的形式在寬度上逐漸增大，使得橋臺的選型成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要進一步思考的問題.目前在工程實際當(dāng)中，空心橋臺已有使用.

當(dāng)雙線鐵路并行時，橋臺的橫向尺寸均較大，隨之橋臺自重及圬工數(shù)量也會增大.為減少橋臺自重并節(jié)約圬工，臺身可采用空心截面.而空心橋臺的優(yōu)越性在于充分利用了混凝土和鋼筋的材料性能，進而可以節(jié)省材料，并能減輕自重，減少圬工，降低對地基承載力的要求［2］.因此在進行雙線橋臺設(shè)計時，U型橋臺適用于填土高度較低的橋臺；而T型空心橋臺適用于填土高度較高的橋臺.

本文結(jié)合各種形式的橋臺的適用范圍，選擇U型橋臺這一適用于橋面較寬情況的橋臺與T型空心橋臺進行分析比較；通過對具有相近輪廓尺寸的T型空心橋臺和U型橋臺進行設(shè)計和檢算，隨著臺后填土高度的增加，比較驗證空心橋臺在高橋臺情況下具有自重更小，對地基承載力要求更低的優(yōu)點，進而探討T型空心橋臺相對U型橋臺的適用性.

1 分析方案及參數(shù)

1.1 基本資料

Ⅰ級雙線鐵路上的直線橋，線間距取為5.6～6.0 m，跨度為16 m的鋼筋混凝土組合式箱梁，橋臺材料臺身和基礎(chǔ)采用C20混凝土，容重γ均為23 k N／m3，E＝2.55×104MPa，［σ］＝7.8 MPa；臺帽及背墻采用C25混凝土.基礎(chǔ)的入土深度為1 m，基底以上土的重度γ＝17 k N／m3，硬質(zhì)巖石地基，基本承載力為［σ］＝1.5 MPa～3 MPa.設(shè)計荷載為中－活載.

橋臺頂帽及其前墻構(gòu)造要求橫向?qū)挾冗_10.2 m～11 m，兩片箱梁邊支座橫向中心距8.1 m～8.5 m；橋臺后墻構(gòu)造要求寬度可取為8 m左右，擬采用T型空心橋臺.該空心橋臺設(shè)計的基本構(gòu)思是：將2個單線T形橋臺進行組合形成臺身，再通過頂帽及臺后擋板將臺身形成一個閉合箱形截面；臺長根據(jù)T型橋臺標(biāo)準圖確定.為保證設(shè)計和計算所得結(jié)果的可比性，U型橋臺的尺寸擬定與T型空心橋臺的尺寸相近［3－6］.

設(shè)計T型橋臺和U型橋臺構(gòu)造如圖所示：

圖1 T型空心橋臺構(gòu)造（單位：cm）

圖2 U型橋臺構(gòu)造（單位：cm）

1.2 分析方案

1）橋臺類型：U型和T形空心橋臺.

2）填土高度：4 m～12 m.

針對U型橋臺和T形空心橋臺在填土高度變化時，進行自重、臺底和基底的應(yīng)力及偏心、傾覆和滑動穩(wěn)定性的對比分析.

1.3 橋臺尺寸

隨著臺后填土高度的增大，T型空心橋臺臺身和基礎(chǔ)沿臺長方向的尺寸都會改變；U型橋臺除臺身和基礎(chǔ)沿橋臺臺長方向的尺寸會改變外，臺身翼墻橫橋向的尺寸也會改變.兩類橋臺尺寸參數(shù)如表1.

1.4 荷載與組合

1）垂直荷載：線路設(shè)備（q＝150 k N／m）、

橋跨自重、臺頂和臺身自重、基礎(chǔ)自重、覆土自重、橋跨活載支座反力等.

2）活載及其布置

設(shè)計活載采用中－活載；對于橋臺的臺底和基底應(yīng)力及偏心檢算，應(yīng)該按照前端和后端分別進行.直線橋臺活載布置形式有以下幾種；橋臺的前端的應(yīng)力和偏心檢算采用活載布置I，臺底和基底后端的應(yīng)力檢算采用活載布置II，臺底和基底后端的偏心采用活載布置III；橋臺及其基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算采用活載布置情況Ⅳ.

表1 不同填土高度下橋臺尺寸及參數(shù)（單位：m）

圖3 活載布置示意（單位：m）

3）列車制動力（或牽引力）和土壓力的計算按照規(guī)范要求計算.

在進行臺底截面的應(yīng)力計算時，使橋臺所受的全部荷載均簡化至臺尾在基頂面上投影點A上；進行基底截面應(yīng)力檢算時，基底以上全部荷載均簡化至臺后基底邊中心A＇處，如圖1和圖2.

2 計算原理及分析

2.1 計算原理

參考規(guī)范［7－8］中計算橋臺臺底與基底應(yīng)力，偏心及穩(wěn)定性系數(shù)的公式對兩種橋臺的相應(yīng)參數(shù)進行計算，并計算相應(yīng)的參數(shù)容許值，然后對計算結(jié)果進行分析.

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述荷載、應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性的計算原理進行計算，得到相應(yīng)值的計算結(jié)果，對其進行整理和分析如下.

1）自重

兩種橋臺自重隨填土高度變化如圖4所示.由圖可知：當(dāng)填土高度H＜6 m時，T型空心橋臺的自重比U型橋臺的自重大；當(dāng)填土高度H≥6 m時，T型空心橋臺的自重比U型橋臺的自重小，且其橋臺的自重隨填土高變化的增長率U型橋臺明顯比T型空心橋臺要大.

2）應(yīng)力結(jié)果分析

橋臺臺底和基底截面應(yīng)力由主力組合控制.

運用公式（1）～（3）計算得到兩種橋臺的臺底和基底應(yīng)力，并將隨填土高度變化的應(yīng)力計算結(jié)果繪于圖5.

應(yīng)力的計算結(jié)果表明：兩種橋臺的臺底和基底最大應(yīng)力值均滿足σ≤［σ］的要求.由圖中可知，兩種橋臺臺底應(yīng)力和基底應(yīng)力均隨填土高度增大而增大，且變化的規(guī)律相似.隨著填土高度的增大，臺底、基底前端和后端最大應(yīng)力值，U型橋臺均大于T型空心橋臺.其中，臺底和基底前端最大應(yīng)力的增長率U型橋臺要大于T型空心橋臺；但其后端最大應(yīng)力值的增長率U型橋臺與T型空心橋臺相近.

3）臺底和基底偏心分析

橋臺臺底、基底的合力偏心檢算由主力加附加力組合控制.

運用公式（4）～（6）計算臺底和基底的偏心值，并將隨填土高度變化的臺底和基底偏心計算結(jié)果繪于圖6，圖7.

圖5 臺底、基底應(yīng)力隨填土高度變化曲線

圖6 臺底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線

圖7 基底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線

從圖中可知，當(dāng)填土高度H由4 m增至12 m時，兩種橋臺的臺底和基底的前、后端的偏心計算值均增大，但變化率較?。浑S著臺后填土高度的增大，臺底和基底的前、后端偏心容許值的增大率遠大于計算值的增大率.

4）穩(wěn)定性分析

運用公式（7）～（8）計算兩種橋臺的傾覆和滑動穩(wěn)定系數(shù)值，并將其隨填土高度變化的曲線繪于圖8中.

穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果表明：隨著臺后填土高度的增大，T型空心橋臺的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.5；滑動穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3，并且逐漸趨于穩(wěn)定；U型橋臺的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)恒大于1.5且趨勢上升；滑動穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3，但趨勢下降，隨著填土高度的繼續(xù)增大，其滑動穩(wěn)定的安全儲備越來越小.

圖8 傾覆和滑動穩(wěn)定系數(shù)隨填土高度變化曲線

3 結(jié) 論

根據(jù)以上討論：

1）從兩種橋臺的自重分析可知：隨著臺后填土高度的增大，U型橋臺比T型空心橋臺的自重增長率明顯要大.這充分說明了隨著填土高度的進一步增大，T型空心橋臺會更加顯現(xiàn)出自重小的優(yōu)點.

2）從臺底和基底的應(yīng)力分析可知：基底前端應(yīng)力的最大值T型空心橋臺為359.54 kPa，可以選擇中密或密實的粗砂土層作為持力層；U型橋臺為966.38 k Pa，需要選擇密實的卵石土層作為持力層，但在填土高度大于10 m時，基底出現(xiàn)了拉應(yīng)力，需選擇巖層作為持力層.這進一步說明了T型空心橋臺比U型橋臺對地基承載力的要求要低.

3）從臺底和基底的偏心分析可知：隨填土高度的增加，兩中橋臺的臺底和基底偏心的增長率要小于相應(yīng)容許偏心的增長率，可以確定二者的偏心恒保持在允許范圍.

4）從穩(wěn)定性分析可知：隨填土高度的增大，T型空心橋臺和U型橋臺的傾覆穩(wěn)定系數(shù)均呈增長的趨勢，滑動穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，安全儲備逐漸降低.

總之，通過對T型空心橋臺和U型橋臺的自重、臺身和基礎(chǔ)強度、偏心和基礎(chǔ)穩(wěn)定性的計算和綜合比較，得到如下結(jié)論：當(dāng)臺后填土高度4 m≤H＜6 m時，采用U型橋臺更為合適；當(dāng)臺后填土高度6 m≤H≤12 m時，采用T型空心橋臺更為合適.

在雙線鐵路直線橋梁的設(shè)計中，尤其是在臺后填土較高時，可以優(yōu)先考慮選擇空心橋臺這種橋臺類型.當(dāng)基底應(yīng)力和偏心檢算不滿足規(guī)范要求時，還可以考慮用樁基代替淺基礎(chǔ)，以確保橋臺基礎(chǔ)的承載能力、穩(wěn)定和沉降控制要求.

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