有关影响桥梁下部结构刚度的主要因素探究
摘要：桥梁下部结构刚度合格与否将对桥梁整体结构刚度造成直接而重大的影响。
所以，有必要对影响桥梁下部结构刚度的主要因素进行深入的探究，从而提高桥梁下部结构设计水平，保证桥梁工程的整体质量，使其满足设计要求和使用要求。
关键词：桥梁下部结构；刚度；主要因素
中图分类号：u445文献标识码： a 文章编号：
桥梁设计过程中，通常要注意强度、刚度、经济性以及耐久性，尤其是刚度这一要素在某些特殊桥梁（客运专线）设计中更是重点中的重点。
列车在桥上运行时，要满足以下几点：1）足够的安全性和舒适性；2）桥上轨道结构的稳定性；3）桥梁结构不会因附加力影响而发生过大振动；4）桥上轨道便于养护维修。
桥梁下部结构刚度是其整体刚度的基础组成部分。
对影响桥梁下部结构刚度的主要因素进行深入的分析，是桥梁下部结构设计的需要，也是桩基础合理设计的需要。
梁跨、墩高、墩形以及基础刚度是影响桥梁下部结构刚度的三大主要因素。
在梁跨、墩高一定的前提下，通常需要重点考虑基础刚度，特别是桩基础刚度对桥梁下部结构刚度的影响。
下文将从以下几个角度展开探讨：1)墩形；2）桩基础的混凝土强度、受力形式、桩长、桩径、间距、排列方式；3）地质参数。
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1.桥梁下部结构刚度计算参数
表1 桥梁下部结构刚度计算参数
某桥梁下部结构刚度计算参数如表1所示，当某个参数发生变化时，其他参数应保持不变。
2．影响桥梁下部结构刚度的主要因素
2.1墩形对桥梁下部结构刚度的影响
该桥梁对下部结构刚度有较高的要求，因此主要采用两种墩形，一是矩形空心墩（无托盘），二是圆端形空心墩（无托盘），二者对桥梁下部结构刚度的影响见表2。
从表中数据可以看出，二者无论在纵向刚度方面，还是在横向刚度方面都极为接近，所以，得出结论：桥梁下部结构刚度几乎不受墩形的影响。
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表2 墩形变化对下部结构刚度的影响（kn/cm）
2.2桩基础对桥梁下部结构刚度的影响
2.2.1桩身混凝土强度等级
纵向刚度（kn/cm）：c20—626、c25—640、c30—654；横向刚度（kn/cm）：c20—965、c25—1001、c30—1034。
从以上数据可知：c25到c30，纵横向刚度增加的比例分别是4.5%、7.2%，即桩身混凝土强度等级只对桥梁下部结构刚度产生很小的影响。
实际上，桩身耐久性对桩身混凝土强度等级有一定的控制要求。
[3]
2.2.2桩的受力类型
经大量计算（表3）发现：1）摩擦桩的承台底水平位移＞柱桩的承台底水平位移；2）摩擦桩承台转角引起的水平位移＜柱桩承台
转角引起的水平位移；3）如果桩基础的布置是一致的，那么摩擦桩基纵向刚度＞柱桩纵向刚度。
表3 刚度计算比较（对墩顶施加一个300kn纵向水平力）
2.2.3桩长
图1为桩长对两种桩基础（摩擦桩/柱桩）纵横向刚度的影响。
分析可知：1)摩擦桩桩长大约为20m时，纵横向刚度达到最大值，桩长小于30m的范围内，刚度变化不大；2)柱桩随桩长增加，纵横向刚度迅速下降；3)桩长对摩擦桩纵横刚度的影响相对较小；4）桩长对柱桩纵横刚度的影响相对较大。
图1 桩长对两种桩基础（摩擦桩/柱桩）纵横向刚度的影响
2.2.4桩径
对于一般地质条件下，墩高小于20m的桥墩基础，桩径为1.00m，则按照“8φ1.00m、9φ1.00m、11φ1.00m、12φ1.00m”进行布置；桩径为1.25m，则按照“6φ1.25m、8φ1.25m、9φ1.25m”进行布置。
表4给出了φ1.25m、φ1.00m桩径不同地质条件下工程费用的比值。
分析表中数据可知，在软弱地层实现相同刚度，二者的综合费用几乎相等；在一般地层，小直径钻孔桩则更经济一些。
另外，考虑到分散受力的问题，多采用小直径钻孔桩。
值得注意的是，如果桩的长度在50m以上，那么需要考虑构造的影响，采用大直径的钻
孔桩。
[4]
表4 φ1.25m、φ1.00m桩径不同地质条件下工程费用的比值
2.2.5桩间距
桩间距和桥墩基础刚度呈一种线性关系，另外，桩间距对纵向刚度的影响小于对横向刚度的影响，这种情况是基础横向尺寸大于纵向尺寸造成的。
桩间距如果增大36%，那么纵向刚度和横向刚度的增大幅度分别是30%、54%。
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表5 桩间距对桥墩基础刚度的影响
2.2.6桩的排列方式
桩基础有两种常见的平面布置形式，一种是行列式，另一种是梅花式，如图2所示（8根φ1.00m）。
两种不同布置形式下桥墩的纵横向刚度如表6，从表中数据可知：行列式桥墩横向刚度=1.2梅花式桥墩横向刚度；行列式承台体积=0.773梅花式承台体积。
所以，当不需要控制纵向刚度的情况下，最好采用行列式去布置桩基础的平面。
另外，相较梅花式而言，行列式还具有施工方便的优点。
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图2 桩的排列方式（单位：㎝）
表6 不同布置方式（行列式/梅花式）桩的纵横刚度
2.3地质参数对桥梁下部结构刚度的影响
桩侧土地基系数的比例系数m对摩擦桩纵横向刚度的影响如图3所示。
从图3能够得出，m值在7000kpa/㎡以下时，纵横向刚度会随着m值的增大而快速增大；m值在7000kpa/㎡以上时，纵横向刚度随着m值的增大速度开始变缓。
[7]摩擦桩纵向刚度随桩底土地基系数的比例系数而变化的规律、柱桩纵向刚度随岩石地基竖向地基系数而变化的规律如图4所示。
总体看来，如果地质情况比较差时，地质参数的相关变化将会对刚度产生较大的影响；如果地质情况比较正常时，地质参数的相关变化对刚度的影响将会相对较小。
图3 桩侧土地基系数比例系数m对摩擦桩刚度的影响图4 桩底地基系数的比例系数对桩纵向刚度的影响
3.结语
从前文的一系列分析中可以看出：1）在桥墩参考图确定的情况下，墩形、桩身混凝土强度等级以及桩的受力类型不是影响桥梁下部结构刚度的主要因素；2）摩擦桩小于30m时，其刚度变化一般不大；3）基础地质情况相对理想时，地质参数的相关变化不会对刚度造成很大的影响；4）墩高、桩长、桩间距、桩的布置形式是影响桥梁下部结构刚度的主要因素；5）在进行桩基础设计时，一般使用小直径钻孔桩，采用行列式的布置形式，还要合理加大桩之间的横向间距。
参考文献：
[1] 王珏,刘伟.高墩大跨预应力混凝土铁路连续刚构桥刚度控制研究[j]. 中国科技信息. 2011(01).
[2] 罗余良.讨论桥梁下部结构的选型及设计[j]. 河南建材. 2010(01).
[3] 林邦裕.关于桥梁下部结构事故分析以及防治措施探讨[j]. 硅谷. 2011(09).
[4] 张春光,付晓宣.试析桥梁的下部结构设计[j]. 科技风. 2012(04).
[5] 史名录.探索桥梁下部的结构设计[j]. 江西建材.
2011(03).
[6] 于维汗.太中(银)铁路变宽道岔连续梁构造及支座布置研究[j]. 铁道标准设计. 2013(01).
[7] 马辰罡.浅述桥梁桩基设计中桩侧土的负摩阻力问题及湿陷性黄土地区桥梁的桩基设计[j]. 内蒙古科技与经济. 2010(21).。