高填土桥台弯矩归零设计法

周涛

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

在某些特定的设计条件下，如跨越高速公路或地面道路，在保证净空的前提下，为控制工程造价，需要尽量缩短桥梁长度，则会导致高填土桥台的出现。

随着填土高度的增加，台后土压力的迅速增大，为保证桩基的均衡受力和控制桩基的水平位移，除了桩基的布置、间距、承台的尺寸等因素外，关键是如何确定承台相对桥台台身的位置。本文基于西安某道路改造工程，阐述了高填土桥台的弯矩归零实用设计方法，形成了较优的设计成果，也为此类桥梁的设计提供借鉴参考意义[1,2]。

1 工程背景

西安某道路改建工程，为跨越横向道路，布置了单跨24 m的简支小箱梁，梁高1.4 m，为保证桥下净空，路面到承台顶附土平均高度为9.5 m，其立面和横断面见图1。

为提高桥台的稳定性，桥台为直臂肋板式，台身厚度1.2 m，肋板厚度0.9 m，中心间距4.5 m；桥台承台厚度2.0 m；承台下设置两排直径1.5 m桩基，桩基间距5.0 m；桩基梅花布置，台前6根，台后4根。

2 荷载工况和计算模式

高填土桥台的设计难点在于，如何使台后桩基在极限受力状态下不出现负拉力，并尽量有一定的压力储备，同时要满足桩基位移的验算。

图1 桥台断面图（单位：cm）

桥台承台底也即桩基顶所受的力可以分为弯矩M、轴力N、水平力F。对于不同的荷载工况，轴力N与水平力F在量级上相差不大，唯一可调整的参数是弯矩M，基于此出发点，本文提出了弯矩归零的设计方法。

桥台的受力可以分为如下几种荷载工况：

（1）桥上、台后均无车；

（2）桥上有车、台后无车；

（3）桥上无车、台后有车；

（4）桥上、台后均有车。

基于设计经验，拟定了桥台承台尺寸和桩基布置后，承台底（桩基顶）所受弯矩M则与承台在顺桥向的位置密切相关，将承台中心和墩身中心的距离设为参数x，见图2。

图2 计算图示（单位：cm）

由于桥台受力分为上述的不同工况，要使所有工况下弯矩M均为理想状态（归零）是不可能实现的。但是通过定性分析可知，工况三状态下，桥台所受的水平力F相对较大，是受力较为不利的工况，因此控制此工况下弯矩归零，确定桥台承台在顺桥向的尺寸x，再来验算其他工况下桥台桩基的受力是否满足规范要求。

工况三及图示桥台布置下，桥台所受弯矩可以分为往台后方向的弯矩（正）及往台前的弯矩（负）两部分，单位均为kN·m。

（1）台后方向正弯矩（按照图示计算模式，台后正弯矩主要由承台上填土产生，假定x=0.8 m作为迭代计算初始值）：M1=32 676。

（2）台前方向负弯矩：

a.台后有车土压力（车辆和土叠加）产生的弯矩：M2=-27 870x；

b.桥台台身产生的弯矩：M3=-6 926（x-0.2）；

c.上部恒载产生的弯矩：M4=-3 374（x-0.29）。

使此弯矩合力为零，则可以得到x=0.892，最终取值x=0.9 m。

3 计算结果

按照x=0.9 m，得到各个工况下承台底（桩基顶）所受的力为（轴力向下为正，弯矩往台后方向为正，水平力往台后方向为正），见表1。

表1 不同工况下桩基顶受力

由表1的计算结果可知，弯矩相对轴力、水平力量级都是较小的，也基本达到了设计初衷。

根据地质报告，通过m法来计算桩基的作用效应及位移，结果见表2。

表2 m法计算的桩基效应及位移

由表2计算结果可以看出，前后两排桩受力较为均匀，水平向位移数值也相对较小，结果较为理想。

需要注意的是，对于桥上有车的工况，应计入汽车冲击力+温度力（或者是支座摩阻力，两者取小值）的影响，本文未详细展开。

4 结论

高填土桥台设计的难点在于如何控制台后桩基的竖向力不要过小，同时需要控制桩基的水平位移，本文是基于用承台上填土来抵抗台后填土水平力和弯矩的出发点，提出了弯矩归零的设计方法，简单易操作且最终设计成果合理可靠。

（1）对于高填土桥台，桩基竖向承载力并非设计的控制因素，关键是如何使台前、台后的桩基受力均匀且水平位移较小。弯矩归零设计法较好的解决了这两个设计难点。

（2）本文的设计思路是在小桩号侧桥台台身、承台成“倒L”形状，大桩号侧桥台成“L”形，利用承台上填土产生的有利弯矩来抵抗台后填土水平力、梁体恒载、活载等弯矩。理论上，加大承台尺寸会使承台上填土产生的有利弯矩同时增大，但是造价会相应增加。

[1]何延全,兰日彦,何世超.中小跨径桥梁高填土桥台合理结构型式浅析[J].西部交通科技,2014(10)：1-4.

[2]廖显东.高填土路堤对桥台桩基作用研究[D].上海：同济大学,2007.