中烈度区小箱梁桥下部结构设计

杨庆卫 （同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

我国是一个多地震的国家，抗震设计是桥梁结构设计中必不可少的一环。简支变连续小箱梁桥（以下简称小箱梁桥）是常见的一种桥型，其适用性广泛，可满足不同墩高、桥宽、跨径（20～40m）的工程，同时造价相对低廉，施工快速方便，在工程中得到了广泛应用。

对于小箱梁桥，上部结构设计以参考通用图[1]为主。由于墩高、桥宽、跨径的差异，不同项目下部结构差异较大。下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因[2]。因此，下部结构设计是小箱梁桥设计中的一个重点。此外，根据多个项目概算成果统计发现：对于小箱梁桥，下部结构的造价一般占总造价40%以上；在中烈度区（基本地震动峰值加速度值0.1g～0.15g），造价可占到总造价50%以上。考虑安全性和经济性，小箱梁桥下部结构设计是设计工作的重点，文章对已有项目进行归纳总结，为类似工程提供参考。

2 小箱梁桥下部结构体系

2.1 下部结构体系

工程中常见的小箱梁桥下部结构体系主要有以下四种：

①横向布置单根立柱，纵向布置多排桩。多用于桥面较窄的匝道桥，定义为体系A。

②横向布置多根立柱，纵向布置单排桩。多用于桥面较宽，桥墩高度较矮的桥梁，为体系B。

③横向布置多根立柱，纵向布置多排桩。多用于桥面较宽，桥墩高度较高的桥梁，为体系C。

④墩梁固结体系。多用于超高墩，应用较少。此类桥梁抗震计算应进行专门研究，不在本文讨论范围内。

2.2 小箱梁桥抗震体系

依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）[3]和《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）[4]，在中烈度区（0.1g～0.15g），除了道路等级很低的小箱梁桥外，均需考虑E2地震作用进行抗震计算。

桥梁抗震体系主要有[3]：

①延性抗震体系。桥梁的塑形变形、耗能部位位于桥墩。

②减隔震体系。桥梁的耗能部位位于桥梁上、下部连接构件，例如减隔震支座、阻尼器等。

对于小箱梁桥，地震作用引起的水平力可由多个桥墩均摊，同时板式橡胶支座有一定的耗能作用。故减隔震体系在小箱梁桥中应用相对偏少，多采用延性抗震体系。采用减隔震体系的桥梁，下部结构在地震作用下均保持弹性，故设计重点在于减隔震设备的选择，不再赘述。

以结构体系A'～C为例，根据已有工程设计经验，阐述中烈度区盖梁、立柱、系梁、承台、桩基的设计要点。

3 下部结构抗震设计要点

3.1 盖梁

盖梁为能力保护构件，在E2地震作用下应保持弹性。

对于体系A，横向采用单柱，在纵向、横向地震作用下，盖梁受到的弯矩作用值均较小，不控制设计，按照静力计算需要设计盖梁即可。

对于体系B～C，横向采用多柱，立柱与盖梁组成一个超静定体系。在横向地震作用下，盖梁受到较大的弯矩、剪力作用。墩顶为立柱塑性铰潜在区域，地震作用下受到弯矩较大。盖梁需保持弹性，故盖梁抗弯强度应大于立柱超强弯矩。当立柱高度较高，尺寸较大时，盖梁高度Hg受抗震设计控制，应大于立柱的横向尺寸BL。

3.2 系梁

当采用体系B～C，且立柱高度较高时，需设置系梁以降低立柱弯矩（系梁设置于桩顶时降低立柱、桩身弯矩）。同时，系梁作为耗能构件，有利于提高整个下部结构的抗震性能。系梁的设计要点：

①系梁高度Hx宜小于立柱横向尺寸BL；

②系梁侧面的钢筋宜适当加强，保证系梁进入塑形后仍能传递轴力；

③系梁深入柱身（桩身）的长度要满足锚固长度，设计时应统筹考虑钢筋直径和立柱（桩基）尺寸。

下部结构示意图

3.3 立柱

立柱设计是抗震设计的重点。立柱的设计关系到盖梁、系梁的配筋和尺寸，还很大程度上影响桩基的布置、长度和配筋。立柱设计方案的优劣对下部结构经济性影响很大。

立柱的尺寸设计建议按以下流程进行。

①立柱横向尺寸BL

立柱横向尺寸BL确定流程

②立柱纵向尺寸HL

立柱纵向尺寸HL确定流程

由上图可知，立柱纵向尺寸受到“E1保持弹性”、“E2地震满足需求”、“经济性”三个条件制约。一般来说，“E1保持弹性”只要达到目标即可，不需富余，以满足经济性。经过多轮迭代、优化后，根据经济性、美观等内容比选确定。结合体系A'～C，阐述立柱设计要点。

对于体系A：

①由于静力计算的需要，横向尺寸BL一般较大，可考虑适当放大横向尺寸，使得E2横向地震作用下，立柱仍保持弹性。

②当立柱高度在10m以上，在纵向地震作用下，可考虑采用延性抗震；否则可以加强配筋、增大截面尺寸，使得E2纵向地震下，立柱保持弹性。

对于体系B：

①由于采用一桩接一柱的形式，桩身受到弯矩较大。桩基为能力保护构件，承载能力必须大于立柱且有一定的富余，故桩身抗弯强度要求较高。桩基推荐采用大直径桩。结合经济性，本体系适用于地质条件好，岩层埋深较浅的区域。

②一般适用于墩高≯10m的桥梁。可根据选定的桩基直径，确定立柱直径。根据受力形态，在柱底、柱顶和系梁位置配置较多的受力钢筋。

4.规定退押时间，界定退押困难。根据当前科技发展的程度，银行转账可以做到实时到账，押金秒退也不应有任何问题，但本着对新型经济包容的态度，考虑到租赁用户众多，个别企业技术升级不够，可适当放宽要求，但当天到账绝对能做到的。因此建议监管当局可规定企业原则上秒退，最慢不得超过24小时，24小时押金不到账，客户可以投诉。有了对退押时间的规定，对退押困难的界定，客户对风险就能做出清晰的判断，监管也有了明确的依据。

对于体系C：体系C适用于各种墩高和宽度的小箱梁桥。此类桥梁下部结构设计一般要经过多轮比选后确定。结合工程算例，介绍设计过程。

某工程采用小箱梁桥，标准跨径4×35m，桥宽22.6m，墩高约30m，基本地震动峰值加速度值0.15g。下部结构设计过程如下：

①根据盖梁静力计算并结合景观性，横向采用双柱；

②在E2横向地震下试算，确定立柱横向尺寸和配筋。通过验算确定系梁尺寸和配筋；

③拟定立柱纵向尺寸，在E1地震下进行试算。根据配筋合理性（例如主筋间距10cm配置单层），修正立柱纵向尺寸；

④E2地震作用下，计算出Me＞＞My（屈服弯矩），确定采用延性设计方案，优化构造。结合桩基设计方案比选确定最终尺寸。其中My的求解一般采用软件进行[5]。

立柱M-Φ曲线

下部结构如下：立柱尺寸2.5（纵桥向）×2.1m（横桥向）；系梁尺寸2×2m，高度上每隔10m布置一道；盖梁尺寸2.6×2.6m。见下图。

总体计算模型 盖梁柱式墩主要构造（单位：cm）

3.4 承台、桩基

承台的设计服从桩基的布置，根据桩基布置和受力按照规范[6]确定尺寸和配筋。

由于立柱传递的弯矩较大，采用延性抗震的桥梁桩基有以下典型的受力工况：

①单桩受到较大轴压力、较大弯矩作用；

②单桩受到较小轴压力、较大弯矩作用，处于大偏心受压状态；

③单桩受到一定拉力、较大弯矩作用，处于以受弯为主的拉弯状态。

基于混凝土压弯、拉弯构件的受力特性（受轴压能力强，抗弯和抗拉能力弱）及上述受力状态，桩基的设计可采用以下原则。

①宜减小桩基数量，采用大直径桩，以提高单桩抗弯承载力，增大平均轴力。

②拉大桩基间距，以减小单桩所受拉力；桩基的布置还需满足构造要求，故小直径桩在抗震设计中有一定劣势。

③确定桩基直径和布置后，根据E1地震作用确定桩长。（E2地震下，单桩竖向承载力可提高，一般不控制设计）

桩基造价对总造价影响较大，可对多个桩基布置方案进行经济性比选后，初步确定方案。

4 结语

在中烈度区，小箱梁桥得到了广泛的应用。小箱梁桥的差异主要在于下部结构。统筹考虑安全性和经济性，在小箱梁桥设计时应对下部结构进行优化比选，以达到桥梁安全和经济原则的统一。

根据不同墩高、桥宽和跨径小箱梁桥的设计实例，总结了小箱梁桥的常见结构体系，介绍了抗震体系。按照从上到下的顺序，介绍了盖梁、系梁、立柱、承台和桩基的设计要点和经验，并结合一个工程算例，讲解了下部结构抗震设计过程，为同类型桥梁提供参考。