浅析T型空心桥台相对U型桥台的适用性

李敏峰 李 颖 马丁红

（1.河北建筑工程学院土木系，河北 张家口075024；2.北方工程设计研究院建筑工程设计五所，河北 石家庄050000；3.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州730070）

0 引 言

在桥梁结构设计中，关于桥台的选型可根据主梁的跨径、路基的填土高度、桥台位置地质情况的不同而采取不同的形式.常见的桥台形式有重力式桥台，轻型桥台，框架式桥台和组合式桥台［1］.随着公路和铁路建设标准和等级的提高，高速铁路和公路中的桥梁结构的形式在宽度上逐渐增大，使得桥台的选型成为桥梁结构设计中需要进一步思考的问题.目前在工程实际当中，空心桥台已有使用.

当双线铁路并行时，桥台的横向尺寸均较大，随之桥台自重及圬工数量也会增大.为减少桥台自重并节约圬工，台身可采用空心截面.而空心桥台的优越性在于充分利用了混凝土和钢筋的材料性能，进而可以节省材料，并能减轻自重，减少圬工，降低对地基承载力的要求［2］.因此在进行双线桥台设计时，U型桥台适用于填土高度较低的桥台；而T型空心桥台适用于填土高度较高的桥台.

本文结合各种形式的桥台的适用范围，选择U型桥台这一适用于桥面较宽情况的桥台与T型空心桥台进行分析比较；通过对具有相近轮廓尺寸的T型空心桥台和U型桥台进行设计和检算，随着台后填土高度的增加，比较验证空心桥台在高桥台情况下具有自重更小，对地基承载力要求更低的优点，进而探讨T型空心桥台相对U型桥台的适用性.

1 分析方案及参数

1.1 基本资料

Ⅰ级双线铁路上的直线桥，线间距取为5.6～6.0 m，跨度为16 m的钢筋混凝土组合式箱梁，桥台材料台身和基础采用C20混凝土，容重γ均为23 k N／m3，E＝2.55×104MPa，［σ］＝7.8 MPa；台帽及背墙采用C25混凝土.基础的入土深度为1 m，基底以上土的重度γ＝17 k N／m3，硬质岩石地基，基本承载力为［σ］＝1.5 MPa～3 MPa.设计荷载为中－活载.

桥台顶帽及其前墙构造要求横向宽度达10.2 m～11 m，两片箱梁边支座横向中心距8.1 m～8.5 m；桥台后墙构造要求宽度可取为8 m左右，拟采用T型空心桥台.该空心桥台设计的基本构思是：将2个单线T形桥台进行组合形成台身，再通过顶帽及台后挡板将台身形成一个闭合箱形截面；台长根据T型桥台标准图确定.为保证设计和计算所得结果的可比性，U型桥台的尺寸拟定与T型空心桥台的尺寸相近［3－6］.

设计T型桥台和U型桥台构造如图所示：

图1 T型空心桥台构造（单位：cm）

图2 U型桥台构造（单位：cm）

1.2 分析方案

1）桥台类型：U型和T形空心桥台.

2）填土高度：4 m～12 m.

针对U型桥台和T形空心桥台在填土高度变化时，进行自重、台底和基底的应力及偏心、倾覆和滑动稳定性的对比分析.

1.3 桥台尺寸

随着台后填土高度的增大，T型空心桥台台身和基础沿台长方向的尺寸都会改变；U型桥台除台身和基础沿桥台台长方向的尺寸会改变外，台身翼墙横桥向的尺寸也会改变.两类桥台尺寸参数如表1.

1.4 荷载与组合

1）垂直荷载：线路设备（q＝150 k N／m）、

桥跨自重、台顶和台身自重、基础自重、覆土自重、桥跨活载支座反力等.

2）活载及其布置

设计活载采用中－活载；对于桥台的台底和基底应力及偏心检算，应该按照前端和后端分别进行.直线桥台活载布置形式有以下几种；桥台的前端的应力和偏心检算采用活载布置I，台底和基底后端的应力检算采用活载布置II，台底和基底后端的偏心采用活载布置III；桥台及其基础的稳定性检算采用活载布置情况Ⅳ.

表1 不同填土高度下桥台尺寸及参数（单位：m）

图3 活载布置示意（单位：m）

3）列车制动力（或牵引力）和土压力的计算按照规范要求计算.

在进行台底截面的应力计算时，使桥台所受的全部荷载均简化至台尾在基顶面上投影点A上；进行基底截面应力检算时，基底以上全部荷载均简化至台后基底边中心A＇处，如图1和图2.

2 计算原理及分析

2.1 计算原理

参考规范［7－8］中计算桥台台底与基底应力，偏心及稳定性系数的公式对两种桥台的相应参数进行计算，并计算相应的参数容许值，然后对计算结果进行分析.

2.2 结果分析

根据上述荷载、应力、偏心和稳定性的计算原理进行计算，得到相应值的计算结果，对其进行整理和分析如下.

1）自重

两种桥台自重随填土高度变化如图4所示.由图可知：当填土高度H＜6 m时，T型空心桥台的自重比U型桥台的自重大；当填土高度H≥6 m时，T型空心桥台的自重比U型桥台的自重小，且其桥台的自重随填土高变化的增长率U型桥台明显比T型空心桥台要大.

2）应力结果分析

桥台台底和基底截面应力由主力组合控制.

运用公式（1）～（3）计算得到两种桥台的台底和基底应力，并将随填土高度变化的应力计算结果绘于图5.

应力的计算结果表明：两种桥台的台底和基底最大应力值均满足σ≤［σ］的要求.由图中可知，两种桥台台底应力和基底应力均随填土高度增大而增大，且变化的规律相似.随着填土高度的增大，台底、基底前端和后端最大应力值，U型桥台均大于T型空心桥台.其中，台底和基底前端最大应力的增长率U型桥台要大于T型空心桥台；但其后端最大应力值的增长率U型桥台与T型空心桥台相近.

3）台底和基底偏心分析

桥台台底、基底的合力偏心检算由主力加附加力组合控制.

运用公式（4）～（6）计算台底和基底的偏心值，并将随填土高度变化的台底和基底偏心计算结果绘于图6，图7.

图5 台底、基底应力随填土高度变化曲线

图6 台底前端、后端偏心值随填土高度变化曲线

图7 基底前端、后端偏心值随填土高度变化曲线

从图中可知，当填土高度H由4 m增至12 m时，两种桥台的台底和基底的前、后端的偏心计算值均增大，但变化率较小；随着台后填土高度的增大，台底和基底的前、后端偏心容许值的增大率远大于计算值的增大率.

4）稳定性分析

运用公式（7）～（8）计算两种桥台的倾覆和滑动稳定系数值，并将其随填土高度变化的曲线绘于图8中.

稳定性系数结果表明：随着台后填土高度的增大，T型空心桥台的倾覆稳定性系数均大于1.5；滑动稳定性系数均大于1.3，并且逐渐趋于稳定；U型桥台的倾覆稳定性系数恒大于1.5且趋势上升；滑动稳定性系数均大于1.3，但趋势下降，随着填土高度的继续增大，其滑动稳定的安全储备越来越小.

图8 倾覆和滑动稳定系数随填土高度变化曲线

3 结 论

根据以上讨论：

1）从两种桥台的自重分析可知：随着台后填土高度的增大，U型桥台比T型空心桥台的自重增长率明显要大.这充分说明了随着填土高度的进一步增大，T型空心桥台会更加显现出自重小的优点.

2）从台底和基底的应力分析可知：基底前端应力的最大值T型空心桥台为359.54 kPa，可以选择中密或密实的粗砂土层作为持力层；U型桥台为966.38 k Pa，需要选择密实的卵石土层作为持力层，但在填土高度大于10 m时，基底出现了拉应力，需选择岩层作为持力层.这进一步说明了T型空心桥台比U型桥台对地基承载力的要求要低.

3）从台底和基底的偏心分析可知：随填土高度的增加，两中桥台的台底和基底偏心的增长率要小于相应容许偏心的增长率，可以确定二者的偏心恒保持在允许范围.

4）从稳定性分析可知：随填土高度的增大，T型空心桥台和U型桥台的倾覆稳定系数均呈增长的趋势，滑动稳定系数逐渐减小，安全储备逐渐降低.

总之，通过对T型空心桥台和U型桥台的自重、台身和基础强度、偏心和基础稳定性的计算和综合比较，得到如下结论：当台后填土高度4 m≤H＜6 m时，采用U型桥台更为合适；当台后填土高度6 m≤H≤12 m时，采用T型空心桥台更为合适.

在双线铁路直线桥梁的设计中，尤其是在台后填土较高时，可以优先考虑选择空心桥台这种桥台类型.当基底应力和偏心检算不满足规范要求时，还可以考虑用桩基代替浅基础，以确保桥台基础的承载能力、稳定和沉降控制要求.

［1］刘伟，李正祥，何庭国，等.客运专线铁路桥台设计［J］.铁道工程学报，2007，2（2）：61～64

［2］罗道明.空心桥台在特殊情况下的应用［J］.山西建筑，2005，31（3）：204

［3］张伟.铁路客运专线混凝土空心桥台裂纹分析与防治［J］.路基工程，2008，2：137～139

［4］陈洪林.重力式 U型桥台基底承载力计算［J］.湖南交通科技，2009，35（2）：98～101

［5］汪亚琴.确定U型桥台基本结构尺寸的简单方法［J］.吉林交通科技，2001，3：26～29

［6］TB 10002.3-99.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］

［7］TB 10002.5-2005.铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范［S］

［8］TB 10002.5-2005.铁路桥涵地基和基础设计规范［S］