《广义结构力学及其工程应用》陈燊.docVIP

第三篇 工程应用 第16章 结构创新设计 §16.1 轻型桩框式桥台 工程背景 桥梁墩台轻型化是近代国内外桥梁工程界的主要研究课题。各国桥梁建设的迅速发展，不仅反映在上部结构的新颖造型上，还反映在下部结构的轻型化和合理化上。五十年代以来，桥墩和梁桥桥台的轻型化取得进展，出现了埋置式和钢筋混凝土薄壁台。在拱桥方面，由于存在强大的水平推力，仍多用重力式 U台，后来也出现了适用于中小跨径和浅基础的八字形，背撑式和靠背框架式桥台，还有空腹式和齿槛式桥台。用于深基础的有组合式桥台，这里，桩基以承受竖向力为主，水平推力则主要由后座基底摩阻力及台后土侧压力来平衡。在地基土质较差时，后座基础还得适当处理，因此不是实际意义上的轻型桥台。福建省沿海地区多属基岩深埋的淤泥软土地质，山区也存在不少断层坡积的不良地质条件，桩基的使用是第一选择。但长期以来，桩基仅作为基础看待，而不是作为桩结构物体系的一个主要承力构件。为配合自重轻，造型美观的刚架拱等新桥型设计，经过力学构思和分析计算，提出拱桥桩框式轻型桥台结构的设计方案[1]。 设计原则 (1) 传递荷载路径最短 结构的主要作用在于支承荷载，并把它传递到地基。因此，结构设计的主要任务之一就是考虑如何使传力路径尽可能短，越是简捷，效率越高，材料就越省。 (2) 各构件截面应力图面积最大 结构所有构件截面的应力图总面积最大，则材料将得到充分利用，如桁架杆，工字梁等。因而，要节省材料，降低造价，势必采用合理结构和合理构件截面。 (3) 按结构受力特点选择材料 结构所用材料不同，其力学性能也就不同，有时差异甚大．高强钢耐拉、省材却容易失稳；混凝土耐压却怕拉；钢筋混凝土，预应力混凝土普适性好，但属复合性材料，需要考虑不同材料的性能，计算也较复杂；还有些材料性能虽好，价格却无法接受。因此，材料的选择要与使用条件、设计要求及技术经济指标相一致。 (4) 发挥结构体系的整体功能 高次超静定结构使结构受力范围大，易于通过调整、优化实现内力重分布，有利于削减内力峰值和平缓变形。但应注意减少局部应力和次应力。 (5) 挖掘主要受力构件的潜力 主要受力构件成本高，不宜多。合理设计应注意发挥其在不同场合、不同结构体系中的力学性能，以达到节省材料的目的。 桩框结构体系 桩框式轻型桥台（图16.1.1）能充分发挥桩框结构体系的整体承载（尤其承受水平荷载）能力。在计算中，应研究分析结构在拱座荷载和土抗力作用下，桩、框架、承台梁、土的相互作用。该结构体系的主要构造如下： (1) 空间框架 由压杆（斜撑梁），拉杆（联系梁）和前后排桩组成三角框架，横向由前后承台梁和横隔板联结，形成一个空间框架。 (2) 前后承台梁 由块状承台改变成梁状承台，大大减少了圬工数量。后承台梁作为深埋的地基梁，同时起到施加土侧压力的后挡板作用．前承台梁上设拱座，如果受桩距限制，横向桩数少于拱座，承台梁成为斜弯曲的连续梁，承台梁的设计还要考虑薄壁台身的横向作用。如果拱座与桩—一对应，传力路径会更短。 图16.1.1 桩框式轻型桥台 图16.1.2 结构计算简图 (3) 柔性桩 纵向前后两排柔性桩间距较大，桩顶与拉压杆和承台梁刚结，形成空间框架的一部分，等代固端桩长由桩的局部分析决定。桩采用线弹性地基反力法计算。 (4) 前挡土板 由于前承台梁高出地面，需在桩间设置挡土板以挡住台后填上。除作台前装饰外，可利用台前台后静土压力差，抵抗拱脚的水平推力。 (5) 薄壁台身 前承台梁上的薄壁台身类似梁桥薄壁桥台的台身，用以挡住台后填土，支持两端的耳墙，并将部分竖向荷载传递给桩基。台帽与刚架拱弦杆锚栓连结，作为对台身的支撑，视为一次超静定，可偏安全取单宽悬臂梁验算。 (6) 超常耳墙 为使桥台轻型化，原U台的侧墙简化为两侧的超常耳墙，墙顶长度大大超过梁桥埋置式桥台的耳墙。耳墙与台身和承台梁顶固结，协同台身挡土。在台内和锥坡填土未到位前，墙根的应力按三角形悬臂梁（板）验算，用纯三次式应力函数可求得弹性力学解。两侧锥坡，围挡墙作为桥台的附属结构。 分析方法与构造措施 桩框式轻型台作为空间框架形式受力，发挥高次超静定结构体系的整体力学性能。但桥台为横向对称的结构，且以纵向受力为主，因此，可在纵向取半结构，甚至分片取平面框架体系分析，以简化计算（图16.1.2）。两侧的平面框架应考虑耳墙作用，土压力和拱推力按分配荷载施加。台后在前承台梁下计算静土压力；台后在薄壁台身一段偏安全地按主动土压力计算；台前地面以下须计反向静土压力。为确保轻型桥台的安全，设计中应采用一系列构造措施，留有足够的安全储备。可采用绕桩身顶部开挖深２米的圆形坑，换填级配砂石或灰土等低压缩性材料并夯实，以