桥梁中下部结构设计的关键
【摘要】桥梁工程是现代交通的基础设施之一，对社会交通运输畅通运行有着重要的作用。下部结构是桥梁的关键组成，若下部结构出现问题则会破坏桥面交通的稳定，不利于行人及车辆的安全。设计阶段是控制桥梁结构性能的主要环节，设计单位在桥梁结构规划时要考虑其后期运用状况，对常见的结构病害配备相应的处理方案。本文阐述了桥梁下部结构的基本构型，且对常见的裂缝病害设计了有效的处理方案。
【关键词】桥梁;下部结构;裂缝;设计
因桥型及跨越能力的不同，桥梁结构布局的情况也各不相同，但桥梁整体结构组成及其满足的功能类似。由于交通量的日趋增多，桥梁下部结构需要承担的载荷大幅度增强，严重影响了桥梁结构的稳定性，不利于桥梁交通的安全形式。设计单位在工程设计阶段，应对桥梁下部结构详细布局，对裂缝病害设计有效的处理方案。
一、桥梁下部结构的主要类型
桥梁是供跨越河流、山谷或其他交通线的建筑物，主要功能是使车辆及行人能够顺利通行。桥梁的主要结构包括：桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、墩台基础等。桥梁结构中还有许多小型构件，主要是指直接与桥梁服务功能有关的部件，如：桥面铺装、防排水系统、栏杆、伸缩缝、灯光照明。目前，桥梁下部结构常见的类型如下：
1、薄壁轻型桥台。对于单跨小桥，为了节约工程造价，避免锥坡压缩河床，常采用薄壁轻型桥台，在两桥台下面设置支撑梁，使整个桥梁构成框架结构系统，并借助两端台后的被动土压力来保持稳定。
2、柔性排架式墩台。城市现代交通工程建设中大多数桥梁采用此型式，墩台基桩多为预制打入[1]。该桥梁结构常见于水流区域平缓的桥梁施工，可以保证桥身下部结构的稳定性，避免了水流冲蚀造成的不利影响。
3、埋置式桩柱式桥台。该型式桥台设于岸上台身埋入锥形护坡中，有单排桩柱式与双排桩框架式两种。选择这种形式的桥台时，考虑到维持路基的稳定性，不能过多地压缩桥长，应严格按照性能规定的要求设计。
4、柱式桥墩。软土地基是桥梁施工的难点之一，对桥梁结构性能的破坏力较大，且影响了后期交通运输的安全性。柱式桥墩不仅结构简单，且施工工艺流程更为先进，运用于软土地基的桥梁结构是最佳选择[2]。
二、下部结构的受力计算
受力分析是桥梁设计的重点工作，经过对桥梁受力情况详细的计算分析，可以正确引导桥梁施工作业，保证工程作业质量与预期的状态相符合。此外，下部结构内力计算是否正确，决定了桥梁施工的质量及使用的安全系数。内力计算不仅包括桥梁结构自身的受力，也要顾及到外界因素对桥梁造成的荷载，从多个方面考虑受力状况才能确保设计方案的科学性。
1、桥面方面。尽管桥面是桥梁的上部结构，但桥面车流量大小对桥梁下部结构的受力影响较大，考虑桥面受力有助于优化下部结构设计方案。桥面受力计算需参考“车流量”多少，设计人员应在某一阶段对桥梁的车流量状况定期统计记录，再根据车流量数据计算出桥梁的受力大小，由此分析桥梁下部结构的受力。
2、盖梁方面。盖梁受力计算是为了对其它相关结构的设计提供参考，以保证桥梁下部结构与盖梁相互配合。根据我国桥梁设计标准规范，盖梁的受力计算流程：若荷载处于对称状态则采用杠杆法计算，若荷载偏心状态则采用偏心压力法计算。受力计算所得的数据应进一步分析审核，避免数据失误造成的不利影响[3]。
3、桥墩方面。桥墩是桥梁下部的关键性结构，桥墩承载的受力状况直接影响了桥梁的性能强弱。对于桥墩受力计算的研究，设计人员应注重竖向力及墩桩顶水平力等方面的计算，同时考虑桥梁基本结构对桥梁下部结构的力学作用。如：桥墩受力计算时考虑季节性水流冲刷造成的破坏作用，确保受力计算的完整性。
4、桥台方面。桥台在桥梁结构里发挥着“承上启下”的作用，从上连接桥梁的顶层结构，从下关联着桥墩的基础构造。常规的受力计算方法中，桥台受力应考虑钢筋混凝土承担的荷载，按照桥梁结构的具体形式构建力学模型。若采用埋置式桥台土压力计算土压力，需顾及到不同土质对桥梁下部结构的力学影响。
三、下部结构配筋的设计
传统桥梁结构选用的混凝土材料性能已满足不了现代交通运输的需要，这是由于桥面车流量大幅度增加给桥梁下部结构造成了极大的荷载，甚至超出了桥梁所能承担的范围。新时期桥梁工程对混凝土材料进行了优化配制，钢筋混凝土在桥梁施工中的运用更加广泛。但混凝土使用达到一定期限后，桥梁结构会出现开裂、沉降等问题。因此，设计桥梁下部结构时应考虑钢筋结构的配置，主要设计方法：
1、盖梁配筋。盖梁配筋需选择科学的计算方法，对桥梁结构布局详细掌握后才能设计配筋方案。对于盖梁而言，其配筋设计需考虑裂缝、沉降等结构出现的病害，对钢筋的使用位置、型号、形状等合理选用。如：盖梁抗剪设计中对混凝土及箍筋承担剪力的比例均给予明确的规定，以协调分担各个结构的受力。
2、桩体配筋。桩筋配筋的设计主要参考极限法完成操作，设计方案需对桩体的抗裂、抗渗等性能提出相关的标准。如：一般都是参照最大弯矩处进行配筋，从桩顶一直伸到最大弯矩一半处下一定锚固长位置，减少一半配筋再一直伸至弯矩为零下一定锚固长位置，遇到软土地基时应穿过软土层结构[4]。
四、设计需注意的材料收缩问题
钢筋混凝土是桥梁工程建设的主要材料，尽管钢筋材料的植入增强了混合料的性能，但由于各种不利因素的影响，桥梁下部结构依旧存在裂缝问题。设计人员在合理布置桥梁中下部结构方案时，应考虑桥梁结构裂缝的处理方案，对常见的裂缝病害设计应对措施。桥梁下部结构裂缝处理方案需针对不同的收缩变形合理设计，以保证所采用的方案有效处理裂缝问题。
1、温差收缩。混凝土材料性能会随着外界环境的变化而改进，当温度前后差异相差到一定程度时则会发生温差收缩，从而引起桥梁结构的多个位置发生裂缝现象。混凝土材料自身的温度变化也会造成温差收缩变形，如：因混凝土内部的水化热过于集中，材料内的温度大幅度上升而使得外部热量散失过快，内外部温度不一形成拉应力后易引起裂缝。
2、塑性收缩。当表面的水分流失速度过快且加上外部空气风干作用，混凝土材料易产生塑性收缩，该现象常见于混凝土凝固之前。从建筑桥梁施工情况看，塑性收缩受天气影响的变化较大，尤其是干热、大风的区域，建筑物塑性收缩裂缝的发生率较高[5]。如果混凝土材料的强度不达标，减弱了其抵制风干、渗水的能力，经过一段时间的破坏后也会引起塑性收缩。
3、沉降收缩。沉降收缩与桥梁地基的承载力有密切的关系，地面建筑结构的重力超过地基承载的范围便会出现沉降收缩。如：桥梁的结构地基土质不匀、松软或回填土不实或浸水等，这些都是沉降收缩的诱发因素。该类裂缝会随着地基结构的变化而变化，尤其是面对软土地基的桥梁建筑，裂缝的破坏力会不断变强，只有地基变形达到稳定状态裂缝才会稳定。
结论
综上所述，桥梁工程建设是国家投资的重点项目，桥梁结构性能的好坏关系着一个区域的交通水平。设计阶段是桥梁结构规划的主要环节，对桥梁下部结构制定先进的设计方案可引导后期正确的施工，保证桥梁质量与预期的标准相符合。同时，桥梁结构设计时要考虑收缩变形等问题，以免桥梁通车后带来各种裂缝而破坏结构性能。
【参考文献】
[1]周丽淇.桥梁工程对城市交通运输的重要性[J].城市交通建设，2010，19(6)：33-36.
[2]赵永进.桥梁结构布局前期的受力计算分析[J].工程力学，2009，37(11)：90-92.
[3]廉德文.研究盖梁结构的受力压迫与处理措施[J].中国桥梁建筑，2010，22(10)：53-56.
[4]叶子敏.桥梁建设期间混凝土常见的收缩现象[J].桥梁勘测，2010，28(5)：19-21.
[5]易少华.季节性差异引起的桥梁温差收缩问题分析[J].甘肃科技，2010，37(14)：16-19.
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