【《工字钢组合梁整体桥整体式桥台设计案例》2300字】

工字钢组合梁整体桥整体式桥台设计案例整体式桥台将主梁和桩基固结在一起共同受力，其尺寸构造将对结构-土相互作用产生的变形和桥梁内力分配有直接影响，不同桩基础的整体式桥台典型构造如图3-11所示，根据INTAB[56]的设计建议，以钢桩为基础的工字钢组合梁整体桥的跨径与桥台高度比值建议在15~19之间，桥台竖向高度与纵向厚度的比值在2.1~4.2之间。我国目前设计的采用混凝土桩基的多座整体桥跨径与桥台高度比值不超过10，目前最长整体桥的永春上坂大桥跨径与桥台高度比值为9.2，桥台竖向高度与纵向厚度的比值为1.81。总体而言，整体式桥台的纵桥向台厚相对较小，近似于板结构。将桥台的高度定义为从桩与桥台结合面至组合梁顶部的距离。整体桥的桥台尺寸与跨径、主梁高度、桩基类型等因素有关，在竖向承载力相同的情况下，由于混凝土桩截面尺寸较钢桩的大，因而采用混凝土桩基的整体式桥台尺寸也更大些，标准化设计时应尽量选用较小尺寸。(a)采用钢桩的整体式桥台(b)采用混凝土桩的整体式桥台图3-11典型组合梁整体式桥台布置图整体桥需考虑温度、桥台入土深度不同和基础类型等因素影响。温度变化会引起主梁产生次内力，结构-土间产生相互作用，桥台顶部和底部由于受到约束强度的区别将发生不同的纵向变形量。桥台高度发生变化时，对主梁受力影响很小，但需要考虑桥台纵桥向的变形量。综合考虑台后土类型、桥台纵向厚度和桥台高度三个主要影响因素，开展整体式桥台设计分析，以单跨20m的组合梁整体桥为例进行说明。（1）台后土体类型变化影响采用台高2.5m、纵向厚度1.3m的整体式桥台，取密实程度不同的三种台后填土：松散土、中等密实土和密实土，m值分别为8000kN/m4、15000kN/m4、23000kN/m4。荷载组合分别考虑升温和降温作用，桩顶和主梁端部弯矩和纵向变形如图3-12所示。可以看出，台后土的密实程度对桩基的影响略大于对主梁影响；随着台后土密实程度增加，桩顶弯矩逐渐下降而梁端弯矩略微增大，梁端水平位移大于桩顶纵向变形，但台后土密实程度增加对纵向变形的影响有限，桩顶或梁端的内力和纵向变形量成正比。因此，台后采用松散土时，受力对主梁更有利；采用密实土时，受力对桩顶更有利。(a)弯矩对比(b)变形量对比图3-12不同土体类型下关键截面弯矩和变形量比较（2）桥台纵向厚度变化的影响采用固定m值为10000kN/m4的台后填土，桥台高度固定为2.5m，分别采用1m、1.5m、2m三种厚度，根据有限元计算结果，在两种工况的作用下桩顶和主梁端部弯矩和纵向变形如图3-13所示。可以看出，纵桥向桥台厚度增大，桩顶弯矩和梁端弯矩将同时增大，桩顶变形和梁端变形几乎不变。因此桥台厚度的增加对整体桥的受力并不产生有利结果，反而因较大自重使节点内力增大，因此桥台厚度设计不作为主要控制因素。结合课题组先前的研究结果[57]，理论上采用混凝土桩的整体式桥台纵桥向台厚的尺寸与桩径相等时，桩顶内力和产生的裂缝均为最小，但考虑到桥台受力的复杂性以及刚度和构造要求，桥台厚度设计相对其他部位仍需保持一定的尺寸。（3）桥台高度变化的影响采用固定m值为10000kN/m4的台后土，桥台纵向厚度固定为1.3m，桥台高度分别采用2.0m、2.5m、1.0m、1.5m、4.0m五种情况。根据有限元计算结果，在升温与降温两种工况作用下桩顶和主梁端部弯矩和纵向变形如图3-14所示。可以看出，桥台高度的变化对桩顶弯矩的影响大于对梁端弯矩的影响。随着桥台高度增大，桩顶弯矩下降而梁端弯矩有所增加，梁端变形影响较小，而桩顶变形则逐渐减小。因此，桥台高度较小时，对梁的受力更有利，高度较大时，对桩的受力更有利。(a)弯矩对比(b)变形量对比图3-13不同桥台纵向厚度下关键截面弯矩和变形量比较(a)弯矩对比(b)变形量对比图3-14不同桥台高度下关键截面弯矩和变形量比较过大的变形量和内力都容易引起桥梁结构失效，随着跨径、尺寸设计的增大，这种效应必然更加明显。参考《无缝桥规》第1.4.6条规定的整体桥纵向变形限值，“有设枕梁时不超过2.54cm，无枕梁时不超过1.20cm”，因此整体桥的设计需要控制桥台合适的尺寸以达成变形和内力的协调。尺寸太小的整体式桥台承载能力不足，易开裂导致结构失效，尺寸过大的整体式桥台由于自重将产生较大的内力，不利于变形，且造价增加较大。实际设计时在满足受力需要的情况下，应尽量使用较小尺寸的桥台，既便于应用单排桩基础适应变形，同时可以合理分配各节点的内力产生较好的效益。升温作用下，不同跨径下的单跨工字钢整体桥桥台高度变化与台顶纵向变形关系变化如图3-15所示。可以看出，台顶纵向变形范围在5.7mm~10.5mm之间，桩顶纵向变形量在2.5mm~1.1mm之间，四组桥台纵向变形量均沿台高呈线性变化。结合已有设计经验和整体桥施工顺序，对于不同跨径的单跨组合梁整体桥，整体式桥台按照施工先后顺序可分为两个阶段：第一阶段为桩基和桩帽施工，为桥梁奠定支承基础，并为架设钢梁提供支承，桩基顶部嵌入盖梁一段距离以形成固结连接，将桩基横向联系起来；第二阶段为钢梁布置在厚度为跨径1/1000的支承钢板上形成组合简支梁体系后，再将组合梁端部沿横向现浇固结形成端墙，最终将主梁、桩基通过桥台固结成整体，形成框架受力体系。按照这样的施工方法，以组合梁和支承钢板总高度为端墙高度，从而反算出桩帽高度。因此根据已确定的组合梁截面高度设计，拟定20m、30m、40m、50m跨径桥台尺寸设计列于表3-8中，桥台高度在2400mm~6300mm之间，纵桥向厚度对应增大，在1200mm~3200mm之间，桥台高厚比在2.0~2.1之间。整体式桥台构造如图3-16所示，台后设置牛腿以支承引板，整体式桥台与引板通过X型钢筋连接，释放部分桥台弯矩不传递到引板。为使结构受力更合理，桥台、支承钢板、混凝土桩基中心线应保持同一垂线。图3-15不同跨径下桥台升温时纵向变形量表3-820m~50m跨径整体式桥台标准尺寸参数表跨径（m）桥