桥梁基础知识

桥梁基础bridgefoundation桥梁基础的作用是把桥梁自重以及作用于桥梁上的各种荷载传至地基的建筑物。它和桥墩、桥台（见桥梁墩台）统称为桥梁下部结构。桥梁基础是埋于地层内的隐蔽建筑物。在设计和修建桥梁基础时，必须进行详细的现场调查和必要的钻探试验，并运用土力学和基础工程理论,选定基础类型,确定其承载能力，以防止桥梁在运营中发生病害。桥梁基础按施工方法可分为明挖基础、桩基础、管柱基础和沉井基础四类。一、明挖基础又称扩大基础或直接基础。明挖基础以石砌、混凝土或钢筋混凝土建造。其平面形状有圆形、圆端形、矩形、八角形、T形和U形等。明挖基础的厚度除要求保证地基有足够承载力外，还要求基础底面低于冲刷线和土壤冻结线，以保证桥梁不受冲刷和冻害影响。地质良好的无水地段，可采用除去表土，整平地基的方法，以便修建基础；有水地段可根据水的深浅，分别采用土、草袋或打桩等办法，筑成围堰,然后抽水,以便修建基础。地质不良地段可采用更换填土，或用物理、化学方法加固地基。明挖基础由于施工简便，传力明确且能直接观察到地基原形，因此不仅用于中、小桥梁，而且逐步用于一些大桥，并在施工技术上有所发展。例如，中国采用喷混凝土护壁开挖基坑的施工技术，于1973年建成了塘坝桥（位于宜宾到珙县的铁路线上）,其基坑深度为7.9～13.6米；1975年又建成东河桥，其基坑直径为8.8米,坑深10米。二、桩基础是以桩体外壁与其周围土壤的摩擦力或桩尖的承载力来传力的基础。这种基础由承台和桩群组成。承台是连接桩群和桥墩的平台,多用钢筋混凝土建造。桩群是若干根埋入地基的桩，桩一般可分为预制桩和就地灌注桩两种。预制桩有木桩、钢桩、钢筋混凝土桩和预应力混凝土桩。木桩由于木材较缺，已较少采用。钢桩品种很多，常用的有型钢、钢管以及型钢组合桩。1974年中国上海黄浦江桥采用直径1.2米的钢管桩基础，长46米，在桩底以上的28米范围内，加焊4块小翼板，其受力情况相当于直径1.42米钢管桩,节约了钢材。钢桩重量轻、强度大、能经受锤击，但在水中和地基内易腐蚀。钢筋混凝土桩和预应力混凝土桩使用很广，截面形状有多种，最常用的是空心圆形桩。这种桩直径小的可称为管桩，直径大的可称为管柱。预应力混凝土桩较钢筋混凝土桩强度高,受锤击不易开裂,水密性好，可防止钢筋生锈，且能节约钢材。近年来，出现用空心圆形桩建造桥墩。这种桥墩是把部分空心圆形桩埋入地基,部分伸出地面作为墩身(称为柱式桥墩)，在桩柱顶上修筑承台,直接支承上部结构。采用这种桥墩的桥梁不仅外形轻巧美观，而且较重力式桥墩节约圬工量可达60％。打桩施工方法很多，常用的有锤击法、震动法和埋入法。中国多采用震动法，即用震动打桩机打桩，同时在空心圆形桩的管壁内外采用射水、吸泥等措施辅助桩下沉。埋入法是先钻孔或挖孔，然后埋桩。就地灌注桩也称为钻孔桩或挖孔桩。就地灌注桩的基本施工方法是先钻孔或挖孔,孔成型后,下钢筋笼和灌注混凝土。这种方法施工快、工费低、设备简单。1965年，中国在成昆铁路的一座桥梁建造中，首次采用桩径1米的钻孔桩,此后在全国铁路桥梁建设中钻（挖）孔桩被广泛采用。三、管柱基础直径较大的空心圆形桩称为管柱，用管柱修建的桩基础，又称管柱基础。管柱基础一般适用于深水、无覆盖层、厚覆盖层、岩面起伏等桥址条件。管柱可以穿越各种土质覆盖层或溶洞，支承于较密实的土上或新鲜岩面上。一般采用预应力混凝土管柱或钢管柱。1957年建成的中国武汉长江桥首次采用直径1.55米的管柱基础。管柱通过覆盖层下沉到基本岩层，再在管柱内用大型钻机钻岩达到必要的深度，然后放置钢筋骨架，灌注水下混凝土，使管柱在岩壁中锚固。60年代初，中国南京长江桥采用了直径3.6米的预应力混凝土大型管柱基础。管柱基础能达到气压沉箱所不能达到的水下施工深度，可避免在水下和高气压下作业，有利于工人健康，而且不受洪水季节影响，可常年施工。因此管柱基础应用广泛。管柱直径也不断增大，如中国南昌赣江大桥采用的管柱直径达5.8米。四、沉井基础用开口沉井或气压沉箱施工法建造的桥梁基础（图2沉井基础）。这种基础现采用较少。由于它整体性好、刚度大、传力可靠，因此在长大跨度和深水地区修桥仍被采用。开口沉井是一个井筒，最下一节的下端设有钢制或钢筋混凝土刃脚。其平面形状可根据墩台外形作成矩形、圆形、圆端形等等,中间加隔墙,成为双孔或多孔式。建造材料可用木、钢、混凝土、钢筋混凝土等。开口沉井在浅水地区可在墩位就地筑岛制造，深水地区可在岸边预制，然后以浮运等办法运到墩位。开口沉井基础施工程序一般是在井壁内挖土，井筒靠自重或加压逐渐下沉，一节井筒快沉入土中再接一节，直至最后一节下沉到设计标高，然后将井底土清理干净，灌注一层水下混凝土把井底封住，再抽水并在井内填充混凝土或沙石，或作成空心沉井,最后在顶上灌筑钢筋混凝土盖板,并在其上修筑墩台。在施工过程中，为了减少井筒下沉时井壁与土间的摩擦力，可在筒壁内预埋钢管并压入高压水、泥浆或高压气流辅助下沉。1936年美国建造的旧金山奥克兰海湾悬索桥锚固墩的沉井基础首先使用充气浮运、放气下沉的圆盖沉井，平面尺寸为60×28米，有井筒55个。中国南京长江桥、枝城长江桥等也采用过这种重型沉井基础。南京长江桥的沉井下沉深度达54.87米;枝城长江桥墩位处岩面高差3.7米,设计时打破了传统垂直平面做法，按岩面斜度造成高低刃脚，使沉井底面与岩面吻合。气压沉箱是一个无底箱形结构,顶上有双门通廊,以便人和材料进入。沉箱下沉至水底后，注入压缩空气以阻止水进入。人在其内开挖地基，使沉箱继续下沉至设计标高。气压沉箱基础在施工过程中，可处理下沉的障碍物，可直接观察到地基原形，也不用灌注水下混凝土，质量比较可靠。但施工者需要在高压空气中工作，不但效率不高，而且对身体有害。中国早期修建的桥梁，如杭州钱塘江桥曾采用这一技术。桥梁上部结构桥梁跨越空间的结构物，简称桥跨或桥跨结构。桥梁上部结构通过支座支承于桥墩和桥台上，它的结构类型，决定了桥梁的形式。一、组成桥梁上部结构由桥面、主梁和支座三部分组成。1.桥面供车辆和行人直接走行的部分。铁路桥面有钢轨和轨枕支承于纵、横梁系统的明桥面；有道碴槽板、道碴、轨枕、钢轨组成的道碴桥面；有钢轨直接联结于桥面板或主梁上的无碴无枕桥面。2.主梁桥梁主要承重结构，是桥梁上部结构的主体。铁路桥的主梁,一般为两片。小跨度的主梁间距不大,桥面可直接铺在主梁上。也有采用多片主梁的。主梁可做成实腹的板梁,杆件连成的刚架或桁架,主梁与桥面、联结系结合而成的箱梁。3.支座桥梁上部结构的支承部分。其作用是将上部结构的支承反力（包括竖向力、水平力）传递给桥梁墩台，并保证上部结构在荷载的作用和温度变化的影响下，具有设计要求的静力条件。支座有活动支座和固定支座两种，可用钢、橡胶或一定标号的钢筋混凝土制作。橡胶支座是一种新型支座，具有重量轻、高度低、构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉及安装方便等优点。二、类型按桥面置于上部结构的位置，桥梁上部结构可分为上承式、下承式（穿式或半穿式）和中承式。上承式、下承式和中承式的桥面分别置于上部结构的顶部、底部和中间。按上部结构主梁的结构形式或主要承重构件特征，桥梁上部结构可划分为板式梁、桁梁、拱桥、刚架（构）和斜腿刚构、斜拉桥、悬索桥等类型。1.板式梁板式梁截面形式一般为矩形、I形、T形、□形和箱形，适用于中小跨度的简支梁及较大跨度的连续梁。常用的有混凝土板梁、钢板梁、结合梁、箱形梁和槽形梁。①混凝土板梁。包括普通钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁。可采用工业化和机械化施工，砂石骨料一般可就地取材,用钢量小;维修工作简单;行车时噪声小;使用寿命长。对中小跨度的铁路桥梁，各国都基本上采用预应力混凝土梁。并实行标准化、系列化和预制装配施工。中国从20世纪50年代开始制订出全国铁路统一的钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁(包括先张法、后张法)标准设计。1956年在东陇海线新沂河桥建成中国第一座预应力混凝土铁路桥梁。目前，无碴无枕预应力混凝土铁路桥梁及后张法预应力混凝土串联梁正在不断发展，两者最大跨度均达到40米。②钢板梁。其主要承重结构是两片I字形截面的板梁。上承板梁的构造较简单，钢料较省，可以整孔装运，整孔架设。下承板梁是将桥面布置在两片梁之间，列车在两片梁之间通过。一般将桥面搁置在纵梁上，使建筑高度(自轨底至梁底)大为缩小。下承板梁与上承板梁相比，结构复杂,用料较多,制造和施工都比较费工。但由于具有较小的建筑高度，适用于桥下净空受限制的地区。中国从20世纪50年代初期即开始制订出铆接钢板梁标准设计。郑州黄河桥新桥即采用40米钢板梁标准设计，其桥孔为71个，每孔梁长40米,双线共采用142孔。70年代制订出上、下承焊接板梁标准设计，跨度分别为24～40米及20～40米。③结合梁。用钢筋混凝土道碴槽板和钢梁结合起来共同受力的桥跨结构。适用于曲线或陡坡地段的钢梁桥。中国在20世纪50年代首先在京广铁路十字江桥上修建了一座跨度32米的结合梁试验桥。1956年制订出跨度28～44米铆接板梁的结合梁标准设计。④箱形梁。主梁截面为箱形结构。多用于较大跨度的连续梁桥。箱形梁的优点是抗扭刚度大，适用于曲线桥及承受较大偏心荷载的直线桥。箱形梁主要有预应力混凝土箱形连续梁和钢箱形梁。预应力混凝土箱形连续梁由于结构形式简洁，外形美观，抗扭性能好，偏载作用下的横向分布比其他形式的梁好，所以近年来很快得到推广。这种梁截面高度为适应内力的变化，通常沿跨度相应变化的，但也可采用等高度的。采用变高度梁适合用悬臂法施工，采用等高度梁适合用顶推法施工。1950年联邦德国首先采用了预应力混凝土箱形梁。1975年中国在北京枢纽东北环线通惠河桥上修建了跨度26.7+40.7+26.7米双线铁路变高度箱形连续梁桥。1978年在西延铁路上用顶推法建成一座4×40米等高度箱形连续梁铁路桥。1978年日本建成目前世界最大跨度的110米上越新干线太田川铁路桥。钢箱形梁是随着高强度钢和焊接技术在桥梁上的应用以及薄壁结构计算理论的发展，于20世纪50年代以来发展起来的。钢箱形梁在一定跨度范围内比其他类型的梁式桥节省钢材可达10％～20％；抗扭刚度和横向刚度较大；安装、制造及养护较简易，因而采用较多。钢箱形梁的截面形式有矩形及梯形两类。箱形梁是闭口的薄壁结构，其应力及应变按薄壁结构理论计算。20世纪50年代联邦德国首先采用钢箱形梁。60年代以来，世界各国都相继修建了不少钢箱形梁桥。联邦德国于1961年在莱茵河上建成一座箱形两跨连续梁，跨度为113米，无枕双线桥面，平均腹板高度5.2米。这座桥是世界上目前最大跨度的铁路箱形梁桥。1966年中国试制了一孔跨度32米的钢箱形梁，1969年架在南同蒲铁路潼河桥上。1976年在北京西北环上架设了一孔跨度40米箱形钢梁。⑤槽形梁。这种梁的形状与半穿式梁相仿。其最大优点是底板薄，建筑高度低，最适用于立交桥，在满足桥下净空的要求下可以减少两端线路路堤的土方量。槽形梁可做成单线桥或双线桥，有简支梁，也有4～5孔的连续梁。两侧主梁有竖直的，也有斜的；有实心的，也有空心的。1976年日本建成的第二丘里跨线桥，跨度达61.4米，上铺复线。80年代初中国在北京枢纽双桥辅助站及京承铁路双桥至怀柔段第二线上分别修建了2孔24米单线和1孔20米双线槽形梁，系三向预应力。2.桁梁桥梁的主桁架常用的几何图式有四种基本类型,即三角形、斜杆形、K形和双重腹杆形（带辅助竖杆的双重腹杆桁架又称菱形桁架）。选择桁架图式的原则是经济、构造简单和利于标准化。这种桥梁形式发展较早，过去较大跨度的桥梁多采用这种形式。1917年加拿大建成的魁北克桥跨度为548.6米，是目前世界上最长的悬臂桁架桥。中国济南黄河桥也是这类结构。悬臂桁架桥由两边的锚跨和中间的组合跨组成。锚跨梁的一端伸出中间墩一段长度，称为悬臂，组合跨的挂孔两端用铰接与悬臂端相连。悬臂桁架桥为多跨静定梁，墩台基础的沉陷不影响梁的内力。中国单线简支钢桁梁标准设计主要有三种图式六种跨度,如图1中国桁梁标准设计结构形式所示。桁高第Ⅰ组为8米，第Ⅱ组为11米,第Ⅲ组为16米。主桁中