浅析桩柱式桥台配筋和构造设计对裂缝的影响

关键词：桩柱式桥台;桥台背墙钢筋;桥台背墙构造;桥台裂缝。

1桥台配筋设计对台背混凝土裂缝的影响

桩柱式桥台是轻型桥台中常用的结构形式之一，它具有构造简约、混凝土体积小、施工简便、造价低等优点，在城市中小桥梁设计中得到广泛应用。由于其混凝土体积小，受力模型不复杂，对于桥梁设计师来说，难度并不大，但在我的桥梁设计工作经历中，我对以往工程案例中桥台背墙配筋设计产生了疑惑，无论台下桩基如何布置，桥台背墙顶部纵向钢筋配筋率都很高，40cm厚的背墙，顶部纵向钢筋数量多数为8C25。经过我的调查了解，多位工程师对这种配筋方式的看法有所不同。概括为以下3类观点：

（1）桩柱式桥台台身与L型盖梁性质相似，台身产生负弯矩（下部受拉为正）时，顶部受拉混凝土截面宽度小，故需增加受拉钢筋以提高抵抗负弯矩的能力。

（2）桥台处于刚性路基和柔性路基交界处，路基的不均匀沉降会导致桥头产生跳车现象。对桥台顶部混凝土有冲击作用，所以要将顶部钢筋配强一些，以抵抗冲击作用。同时也为满足受拉钢筋配筋率不小于规范中配筋率要求的限值。

（3）背墙和台身的混凝土体积相差很大，背墙可看作桥台帽梁的附属构件，当桥台帽梁受弯、扭、温度等作用时，背墙会参与受力。容易比主结构先被破坏，故需要加强背墙顶部配筋。如果背墙不参与纵向受，仅作一个挡土构件，那它就不易产生竖向裂缝。也不需加强纵向配筋。

可见，桥台裂缝是一个值得桥梁设计师探讨和深究的问题。

2桥台配筋设计对台背混凝土裂缝的影响

2.1结构描述

为了有利于分析桥台模型在各种条件下产生的计算结果的差异性，文章对单一条件下的静力计算结果进行对比。假设条件为10m宽人行桥，上部采用7片交通部空心板梁，梁间距为1.25m，每片梁在梁断面中心处设一个板式橡胶支座。台帽宽1.4m，高1m，背厚0.4m，高1.25m，台帽下接3根0.8m直径的灌注桩，桩间距3.5m。桥台配筋方式为纵向钢筋帽梁底（简称1#筋）14 C 25，帽梁顶11 C 22（简称2#筋），背墙顶（简称3#筋）8 C 25;箍筋竖向2肢C 12，间距15cm。

按照上述结构描述使用Midas civil2021版和Midas designer桥梁计算软件进行三维梁柱建模，用Workbench2021 R1版软件建立实体模型辅助分析。两个数字模型同样是将上部荷载全部换算成7个-200kN的竖向集中力分别作用在相应的支座处，通过在桩底设置弹性支承的方式来近似模拟边界条件。经计算，在上部荷载和自重作用下，本模型背墙顶部裂缝最大位置出现边桩顶的8号单元处，保持1#钢筋不变，分别仅改变3#筋和2#钢筋直径后运行计算，8号单元处裂缝宽度结果如表2.1所示。

通过对以上数据对比可知，桩间距为3.5m的桩柱式桥台，仅在上部结构作用和台身自重作用下，台身产生的内力远小于抗弯承载能力。背墙顶部产生的裂缝也远小于规范限值0.2mm。可初步得出结论，3 #筋对台身抗裂和抗弯承载能力的影响要大于2#钢筋，根据正常使用承载能力计算原理判断，3#钢筋的对裂缝的影响程度大于2#钢筋的主要原因是受力钢筋合力点距中性轴的距离不同，有效截面高度不同。结果表明第1节第（1）条观点中3#钢筋可提高台身抵抗负弯矩的能力的观点正确，但如果说3#钢筋仅仅是为了提高抗弯能力，还需要进一步论证，因为从结构验算结果可知，台身抗弯承载能力需求并不大。

3跳车现象影响与配筋率要求

跳车现象的作用主要是对混凝土进行了冲切破坏，轮胎的集中力会使背墙顶表层混凝土骨料松动脱落，但抵抗冲切破坏的有效方法是增加混凝土宽度和厚度，增强纵向主筋对防止混凝土受到冲切破坏效果并不显著。城市桥梁桥台顶部一般会设置伸缩缝，伸缩缝这部分的混凝土一般是在伸缩缝安装完成后浇筑钢纤维混凝土。钢纤维混凝土可有效的减小表面混凝土的破坏。所以说不需要增强3#钢筋来防止跳车现象对桥梁构件造成破坏。

如果不是跳车现象的原因，那会不会是为了满足相关规范的构造要求呢？《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）9.1.12节第2条说明：受弯构件、偏心受拉构件及轴心受拉构件的一侧受拉钢筋的配筋百分率不应小于45ftd/fsd，同时不应小于 0.2mm。3#筋满足本条要求的前提是桥台台身为受弯构件，且顶部受拉。这与支座布置和桩基布置有关，桥梁上部结构形不同，布置支座的方式就不同。例如2.1节提到的10米宽的空心板梁桥，台身就是桩顶有负弯矩的受弯构件。此时顶部配筋率要求需按上述规范9.1.12条执行。若将上部结构换成单箱多室大箱梁，就可以仅在三个桩顶位置的帽梁上设置支座，或者帽梁下只接两根桩，支座布置在两根桩基之间。此时台身就是非受弯构件或是只有正弯矩没有负弯矩的构件，此时背墙顶配筋率不需要满足上述规范9.1.12条要求。

4桥台构造措施工对台背混凝土裂缝的影响

在2.1节所述结构的基础上保持其它条件不变，仅在负弯矩最大处将桥台背墙设置一道断缝，桥台帽梁保持连续。桥台几乎全部埋置在土里，梯度升降温作用很小，计算模型中温度作用仅考虑整体升降温作用，但理论中假设混凝土材质均匀整体升降温作用就不造成混凝土产生裂缝，而一般情况下，混凝土内部材质都是不均匀的，在温度或混凝土干缩等作用下，会产生局部缝缝，对于这种裂缝，只需布置面层防裂钢筋网即可，并不需要加强纵向主受力钢筋。

如果在桥台背墙负弯矩较大处设断缝，背墙仅作为挡土构件使用，可有效防止背墙顶部产生裂缝，这是毫无疑问的，但是这样做就减弱了梁的作用，因为断缝处的桥台截面有效高度降低了，所以抗弯承载能力也就减弱了，在荷载不变的前提下，帽梁顶的裂缝宽度就会变大。用Midas designer对有无断缝处理的两个桥台模型分别进行结构抗弯抗裂验算，第2.2节中无断缝的模型名称为模型一，在负弯矩最大处设断缝的计算模型名称为模型二。计算结果对比如表4.1所示。

5结论

文章仅适用一般城市桥梁桩柱式桥台。由于作者受知识积累和工作经验限制，所提出结论为建议。请各位专业老师不吝赐教，给予指正。

在进行桥台配筋设计前应先进对台身进行受力分析，如台身横桥向所受负弯矩较小，台身纵向钢筋宜按矩型盖梁构造要求控制;如台身模桥向所受负弯矩较大，则优先加强3#钢筋，其次加强2#钢筋。

温度作用对桥台纵向钢筋设置需求较小，只需混凝土面层钢筋满足防裂要求即可，验算时应注意温度对桩顶位移的间接作用。

除特殊情况外不建议桩柱式桥台背墙设置断缝。

参考文献：

[1] JTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.

[2] 廖朝华.墩台与基础（第二版），人民交通出版社2013

作者简介：张书奎（1993-），男，汉族，河南，上海市园林设计研究总院有限公司，助理工程师，本科，桥梁专业。