柱式组合桥台在山区桥梁中的设计研究

高朋

摘要 山区地形陡峭，桥梁布设受限，桥台时常位于陡峭边坡处，传统桥台往往难以满足此类桥梁的特殊需求，因此设计出一种安全、经济、合理、适用的桥台成为山区桥梁设计的重点。文章以具体工程实例为研究对象，通过阐述其桥梁方案的设计思路，对比多种方案的优缺点，着重探讨柱式组合桥台在此类桥梁中的适用性及优势，同时，采用Midas Civil对柱式组合桥台结构受力进行有限元分析。研究表明，柱式组合桥台是一种安全、经济、合理的新型桥台，可为今后位于陡峭边坡处的桥台设计提供新思路、新选择。

关键词 柱式组合桥台；山区桥梁；有限元；受力分析

中图分类号 U442.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）08-0048-04

0 引言

随着我国交通强国战略的实施，公路、铁路建设迅猛发展，公路修建规模不断攀升并向山区延伸[1]。山区公路项目中桥梁占比高，数量众多，其建设常常面临周期紧张的挑战。考虑我国当前的技术、经济条件，山区公路桥梁中标准化、装配化的主梁形式占据主导地位[2]，标准化的设计与施工，可以有效提升工程质量，缩短建设周期。我国山区地形陡峭，复杂多变，桥梁时常位于山谷或深路堑处，其布设往往受限。在采用标准跨径布置的情况下，要么桥台位于较高填方处，通常采用U形重力式桥台，病害较多；要么增加一跨桥梁，其边跨深入挖方路段较长，极其不经济。此时，如何使桥台方案设计得更安全、更经济、更环保，需要因地制宜，综合考虑，才能做出较科学、合理的设计方案[3]。

1 工程实例

1.1 工程概况

湖南省白果至南岳（含衡山支线）高速公路开云互通位于湖南省衡阳市衡山县长江镇石桥铺社区，其L匝道上跨主线，交叉处路基宽度31.1 m，主线位于路堑路段，坡口宽度为57.4 m，出于行车安全考虑，中央分隔带不设立桥墩，匝道桥一孔跨越主线，响应该项目标准化设计与施工的理念，上部结构采用1孔40 m预应力混凝土简支T梁，两侧桥台均位于陡峭的路堑边坡上，填高均超过8.8 m，地质覆盖层为粉质黏土，层厚3 m，地基承载力为200 kPa，下层为强风化泥质灰岩，地基承载力为350 kPa。

1.2 方案比选

由于桥梁上部结构需要跨越该项目的高速公路主线，桥跨不宜前后移动，两侧桥台填土均较高，且位于路堑边坡上，台前不能放坡，选用合适的桥梁方案成为该桥梁设计的重点。为此，选用如下桥梁方案进行比选：

1.2.1 采用重力式U形桥台

桥台采用重力式U形桥台，如图1所示，重力式U形桥台是高速公路桥梁一种较为常见的桥台型式，由台身（前墙）台帽、基础与两侧的翼墙组成，在平面上呈“U”字形，适用于填土8～10 m高度的中等以上跨径的桥梁。具有构造简单、基底承压面大、应力较小、抗水平推力能力强等优点[4]，且台身和基础多为圬工材料，取材方便，施工简单，工程造价较低。但因其台后填土较高，造成土压力较大，U形重力式桥台主要依靠自重来平衡台后的土压力，桥台自身体积很大，其往往存在以下病害：

（1）圬工及开挖量大，对周边环境造成较大破坏。

（2）现场分层砌筑，施工周期较长。

（3）对基础地质条件要求较高，该项目经计算所需地基承载力为515 kPa，强风化泥质灰岩地基承载力为350 kPa，不满足要求，需进行换填处理或者采用桩基U台，而桩基U台往往同样会存在该项其他部分病害。

（4）台后填土不易压实，易发生沉降，造成路面下沉破损。

（5）台内填土容易积水，结冰后冻胀，使桥台结构产生裂缝[4]。

（6）台内填土积水会造成回填土的内摩擦角减小，根据规范[5]中主动土压力标准值计算公式可知，会使μ数值增大，从而增大主动土压力标准值，即台后主动土压力增大，进而更易造成前墙、侧墙外倾，使前墙、侧墙开裂及前墙与侧墙间产生竖向裂缝。

（7）由于重力式桥台先天性缺陷、基础不均匀沉降、车辆荷载的冲击、混凝土收缩徐变及温度力等影响均会造成台身结构开裂，如台身网状裂缝、侧墙水平裂缝及向下的倒三角斜裂缝、前墙竖向贯通裂缝等[6]。

（8）由于台后土压力作用导致桥台前墙前倾，致使背墙与梁板顶死，伸缩装置失去原有功能，如浙江省金丽温高速公路金华段上坑寺桥[7]。

1.2.2 两侧各增加一跨桥梁

当桥梁起终点位于陡峭边坡处时，为了避免高桥台，以往设计通常选择在桥跨起点或者终点增加一跨桥梁，采用柱式桥台，如图2所示，此方案优点为结构安全稳妥，但增加的桥梁边跨往深入较长的挖方路段，会存在以下缺点：

（1）开挖、防护工程量较大，增加工程造价。

（2）浪费桥梁主体，极其不经济。

（3）对周边环境造成较大破坏，不符合绿色建桥的新理念。

（4）部分山区桥梁位于有潜在地质灾害的山体边坡处，开挖边坡易诱发溜塌、崩塌、风化剥落、落石及滑动等地质灾害，如成武高速平洛河19号大桥、平洛河3号特大桥等[8]。

（5）部分桥梁位于交叉口附近，若增加一跨，桥跨直接进入交叉口，交叉口宽度较宽，桥梁宽度要相应增加，主梁需要做成异形梁[9]，预制桥梁很难满足其宽度

要求，增加施工难度的同时，也增加了施工周期。

（6）部分桥梁增加桥跨会进入道路交叉口等路线加宽路段，桥梁宽度要相应增加，且预制桥梁很难满足其宽度要求，增加施工难度的同时，也增加了施工周期。

（7）若为了减少开挖工程量，而将边跨改为小跨径，会增加桥梁跨径类型，增加桥梁模板，增加施工周期，不符合标准化设计施工理念，且边跨结构为简支结构，降低行车舒适性。

项目起终点两侧均位于陡峭边坡处，需要在两侧均增加一跨桥梁，该方案以上缺点弊端尤为突出，不能更好地满足设计要求。

1.2.3 采用柱式组合桥台

采用柱式组合桥台，如图3所示。柱式组合桥台是近年来桥梁设计师们根据以往工程实践需求设计出的一款新型桥台，由桥台顶板、背墙、台帽、盖梁及前后两排桩基组成，其桥台顶板跨径可以根据现场实际地形进行调整，相较于其他传统桥台，在地形陡峭，桥梁布设受限，桥台位于陡峭边坡处时，具备其独有的优点：

（1）顶板跨径可根据地形调节，可有效避免桥梁过多进入挖方路段，减少对周边环境破坏的同时，可有效减少开挖、防护工程量，降低工程造价。

（2）柱式组合桥台解决了台后挡土问题，其桥台端部位于填挖交接处，无须设置锥坡的同时可以取消耳墙，减少工程量，从而降低工程造价。

（3）采用框架结构，增加了桥台的整体性和稳定性，使结构更加安全可靠。

柱式组合桥台除具备其独有的优势外，还保留传统桥台的固有优势，比如：采用桩基设计，对地质条件适应性更强；结构简单，受力明确，施工方便，工程造价低；等等。因此，柱式组合桥台相较于方案一、二，具备可以有效避免对山体的过度开挖、后期防护，减少对桥台周边环境的破坏，台身工程量小、施工方便快捷，结构安全耐久等特点，其设计可以更好地符合“绿色建桥”“更安全、更环保”等现代化公路设计理念。

2 结构计算分析

组合式桥台顶板、台帽、盖梁、桩基的验算，应符合规范[10]的要求。桩基按轴心受压构件和偏心受压构件验算两次。

柱式组合桥台计算采用迈达斯程序，全桥整体建模对其进行空间受力分析，桥台采用梁单元模拟，桩土作用按土弹簧模拟。计算模型结构离散如图4所示。

2.1 桥台顶板

桥台顶板承受汽车活载、结构恒载、温度荷载、收缩徐变等荷载，其与背墙及盖梁刚接，跨径可依据现场地形进行调整，该项目顶板跨径为8 m，顶板厚度0.8 m，采用C40混凝土，跨中及支点处均配置一层直径为28 mm的HRB400钢筋，间距10 cm。其承载能力极限状态正截面抗弯承载力和正常使用极限状态抗裂验算结果如图5～6所示。

由计算结果可知，顶板正截面抗弯承载力和抗裂计算均满足规范要求（斜截面抗剪承载力不控制，未列出）。

桥台顶板的上部结构恒载、汽车活载等荷载，台帽梁高1.8 cm，宽2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支点处均配置两层直径为28 mm的HRB400钢筋，间距15 cm。

2.2 桥台台帽及盖梁

桥台台帽承受结构自重、温度荷载、收缩徐变、通过支座及背墙传递下来的主梁及桥台顶板的上部结构恒载、汽车活载等荷载，台帽梁高1.8 cm，宽2.25 m，采用C40混凝土，跨中及支点处均配置两层直径为28 mm的HRB400钢筋，间距15 cm。

桥台盖梁承受结构自重、桥台顶板结构恒载、汽车活载等荷载，盖梁梁高1.4 cm，宽2.2 m，采用C40混凝土，跨中及支点处均配置两层直径为28 mm的HRB400钢筋，间距15 cm。桥台台帽及盖梁计算内容同桥台顶板，其计算结果未列出，均满足规范要求。

2.3 桥台桩基

桩基为圆柱桩，直径均为1.8 m，采用C35混凝土。圆形截面偏心受压构件的正截面抗压承载力应符合下列规定：

（1）

（2）

（3）

经计算，桩基偏心受压正截面抗压承载力满足规范要求（桩基计算不控制，计算结果未列出）。

3 结束语

柱式组合桥台已在湖南地区应用多年，该文通过不同方案的比选及对柱式组合桥台的结构受力分析，再次证明柱式组合桥台是一种安全、经济、合理的新型桥台，其稳定性及整体性好，施工简便、工程造价低、地质适应性强，在桥台处于边坡较陡峭、桥梁布跨受限时具备较传统桥台独有的优势，具有广阔的应用前景，可为今后的桥台设计提供更多的选择。

参考文献

[1]陶小兰. 高原山区公路桥梁桥型方案设计探讨[J]. 公路交通技术， 2021（6）： 115-121.

[2]陈奉民， 汪宏， 曾辉. 山区高速公路桥梁的设计体会[J]. 公路交通技术， 2008（2）： 55-58.

[3]钟湘江. 框架式组合桥台设计[J]. 公路工程， 2009（4）： 106-108.

[4]范立础. 桥梁工程（上册）第二版[M]. 北京：人民交通出版社， 2013.

[5]公路桥涵设计通用规范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2015.

[6]陈铨恺. 重力式U形桥台病害处治及成因分析[J]. 公路与汽运， 2013（6）： 193-195.

[7]杨建， 黄珍茹. 浅析高路堤路段U型重力式桥台病害产生的原因及整治措施[J]. 养护工程， 2013（11）： 192-193.

[8]李宝坤， 蒋勇军. 桥梁墩台开挖对边坡的影响及治理措施[J]. 山西建筑， 2013（19）： 155-156.

[9]白兴蓉. 框架式桥台在工程应用中的分析研究[J]. 黑龙江交通科技， 2016（4）： 96-97.

[10]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2018.