楊沈紅
(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200030)
西安某高架橋工程位于西安中心城區(qū),總長(zhǎng)約1.9km,工程較為復(fù)雜,沿線(xiàn)需跨越多個(gè)路口,同時(shí)工程K2+080~K2+240段線(xiàn)位與已建地鐵四號(hào)線(xiàn)重疊。本文主要對(duì)高架橋K2+080~K2+240范圍內(nèi)與地鐵四號(hào)線(xiàn)相沖突的樁基承臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
高架橋與地鐵四號(hào)線(xiàn)的位置如圖1所示。
圖1 高架橋承臺(tái)樁基與地鐵隧道的平面位置
該段高架橋樁基布置需避開(kāi)現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu),根據(jù)多方溝通協(xié)調(diào),為避免施工期間對(duì)已建地鐵隧道產(chǎn)生不利影響,地鐵公司提出橋墩樁基與地鐵隧道之間的最小凈距3 m。故該段樁基布置受地鐵結(jié)構(gòu)的影響較大,基礎(chǔ)布置受到一定限制,需對(duì)高架橋樁基承臺(tái)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。該段高架橋下地鐵上下行隧道間的凈距僅4.5 m,無(wú)法在上下行隧道間設(shè)置樁基,橋梁需采用大跨徑承臺(tái)同時(shí)跨越上下行隧道,如圖2所示。
圖2 承臺(tái)總體布置圖(單位:cm)
為減小上部結(jié)構(gòu)對(duì)大跨徑承臺(tái)的作用,該段上部結(jié)構(gòu)采用自重較輕的鋼箱梁,跨徑30 m,梁高2.0 m。橋墩的布置受地面道路的影響采用雙柱式矩形橋墩,承臺(tái)跨越地鐵上下行隧道,樁基與地鐵最小凈距3.4 m,承臺(tái)總長(zhǎng)37.65 m,為減小承臺(tái)混凝土體量,采用啞鈴型承臺(tái)。根據(jù)該工程地質(zhì)條件,樁基采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設(shè)計(jì),樁長(zhǎng)60 m。
該承臺(tái)若按常規(guī)承臺(tái)設(shè)計(jì),采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由于樁基間距較大,系梁跨中彎矩過(guò)大,將出現(xiàn)開(kāi)裂,無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,因此需采用預(yù)應(yīng)力混凝土承臺(tái)。結(jié)合該工程特點(diǎn),提出兩種承臺(tái)設(shè)計(jì)方案。
承臺(tái)為長(zhǎng)37.65 m,寬10.5 m,高3 m的實(shí)心承臺(tái),通長(zhǎng)配束36根15?s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn),分三層布置,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值采用1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa,梁端對(duì)稱(chēng)張拉,鋼束布置如圖3和4所示。
圖3 預(yù)應(yīng)力承臺(tái)鋼束布置(單位:cm)
圖4 預(yù)應(yīng)力承臺(tái)鋼束斷面布置(單位:cm)
承臺(tái)長(zhǎng) 37.65 m,寬10.5 m,高 3.5 m,為減小承臺(tái)自重,跨中段系梁采用單箱雙室的箱型截面,跨中受力主筋為2根 ?36組成的束筋,間距0.13 m,下緣受拉區(qū)布置兩排,共132根 ?36鋼筋;同時(shí)系梁段頂?shù)装甯髟O(shè)置一排預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn),共24根15?s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn),張拉控制應(yīng)力為1395MPa。承臺(tái)立面和系梁斷面分別如圖5和圖6所示。
圖5 承臺(tái)立面圖(單位:cm)
圖6 承臺(tái)系梁斷面圖(單位:cm)
對(duì)于方案一,由于承臺(tái)一次成型,且張拉預(yù)應(yīng)力后系梁出現(xiàn)一定的上撓,因此可以忽略承臺(tái)底土層對(duì)承臺(tái)的作用,承臺(tái)底面以上的荷載全部由樁基承受。對(duì)于方案二,由于承臺(tái)和系梁分段澆筑,由于承臺(tái)底離地鐵隧道距離較遠(yuǎn),且承臺(tái)所在土層地基容許承載力100 kPa,土層較好,施工期間可考慮地基土對(duì)承臺(tái)的支撐作用。系梁澆筑期間結(jié)構(gòu)自重全部由地基土承擔(dān),待系梁與橋墩形成整體后,橋墩與上部結(jié)構(gòu)的恒載則由整個(gè)承臺(tái)傳遞至樁基承受。
鋼箱梁及橋面系恒載以集中力加載在墩頂,其中左側(cè)支點(diǎn)恒載合計(jì)2 560 kN,右側(cè)支點(diǎn)恒載合計(jì)5 270 kN,汽車(chē)荷載按城-A級(jí)設(shè)計(jì)。
采用橋梁博士進(jìn)行建模分析,采用“m”法模擬群樁剛度,基礎(chǔ)剛度如表1所示。
表1 基礎(chǔ)剛度
圖7 計(jì)算模型
4.1.1 施工階段模擬
共6個(gè)施工階段:(1)整體現(xiàn)澆樁基承臺(tái)(2)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束(3)現(xiàn)澆橋墩(4)承臺(tái)頂土回填(5)施工上部結(jié)構(gòu)及橋面系(6)10 a收縮徐變。
4.1.2 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算
極限承載能力考慮各種效應(yīng)基本組合情況進(jìn)行包絡(luò)。按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 5.1.2條規(guī)定,承臺(tái)承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足下列規(guī)定:
式中,γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);S為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值;R為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。
模型計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示,承載能力極限狀態(tài)承臺(tái)基本組合作用下最大正彎矩132749kN·m,位于橋墩右立柱處承臺(tái)底,該處抗彎承載力為330 478 kN·m;最大負(fù)彎矩 4 1696 kN·m,位于左承臺(tái)頂,該處抗彎承載力為266 028 kN·m;最大剪力為24 103 kN,位于左承臺(tái)樁頂處,該處抗剪承載力為27 143 kN。綜上所述,預(yù)應(yīng)力承臺(tái)正截面抗彎及斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖8 最大彎矩及其抗力(單位:kN·m)
圖9 最小彎矩及其抗力(單位:kN·m)
4.1.3 正常使用階段抗裂性驗(yàn)算
按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 6.3.1條規(guī)定,承臺(tái)正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足下列規(guī)定:正截面正應(yīng)力:
斜截面主拉應(yīng)力:
式中,σst為作用頻遇組合下混凝土法向拉應(yīng)力,MPa;σlt為作用準(zhǔn)永久組合下混凝土法向拉應(yīng)力,MPa;σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力,MPa;ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa。
如圖10和11所示,作用頻遇組合及作用準(zhǔn)永久組合下承臺(tái)正截面均全截面受壓,斜截面最大主拉應(yīng)力0.34 MPa,小于允許值0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa。綜上所述,承臺(tái)正常使用階段抗裂性滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖10 作用頻遇組合下上下緣最小法向壓應(yīng)力(單位:MPa)
圖11 作用頻遇組合下最大主拉應(yīng)力(單位:MPa)
4.1.4 正常使用階段應(yīng)力驗(yàn)算
按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 7.1.5條規(guī)定,正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足下列規(guī)定:
式中,σkc為混凝土法向壓應(yīng)力,MPa;σpt為預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力,,MPa;fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa。
如圖12和13所示,作用標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺(tái)最大法向壓應(yīng)力8.51 MPa,小于允許值0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa,主壓應(yīng)力8.51 MPa,小于允許值0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa。承臺(tái)正常使用階段應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖12 作用標(biāo)準(zhǔn)組合下上下緣最大法向壓應(yīng)力(單位:MPa)
圖13 作用標(biāo)準(zhǔn)組合下最大主壓應(yīng)力(單位:MPa)
方案一預(yù)應(yīng)力張拉后對(duì)樁頂產(chǎn)生較大彎矩,對(duì)樁基產(chǎn)生不利影響,同時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí),基礎(chǔ)剛度越大,分擔(dān)到的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)就越大,承臺(tái)系梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)就越小,預(yù)應(yīng)力無(wú)法100%施加到系梁上,而地基土層特性較為復(fù)雜,基礎(chǔ)剛度是個(gè)理論值,若實(shí)際基礎(chǔ)剛度比設(shè)計(jì)模擬剛度大,則預(yù)應(yīng)力效應(yīng)達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求,為避免上述風(fēng)險(xiǎn),該方案采用混合承臺(tái),僅在承臺(tái)跨中段頂?shù)装鍍?nèi)對(duì)稱(chēng)張拉預(yù)應(yīng)力,樁頂段仍采用鋼筋混凝土承臺(tái),張拉鋼束后再現(xiàn)澆濕接段,將樁頂段與跨中段連成整體。
4.2.1 施工階段
承臺(tái)分段現(xiàn)澆,共7個(gè)施工階段:(1)現(xiàn)澆跨中段系梁及樁基承臺(tái)(2)對(duì)稱(chēng)張拉跨中段頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn);(3)現(xiàn)澆濕接縫,樁基承臺(tái)與系梁連成一體(4)現(xiàn)澆橋墩(5)承臺(tái)頂土回填(6)施工上部結(jié)構(gòu)及橋面系(7)10年收縮徐變。
4.2.2 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算
根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,如圖14和15所示,承載能力極限狀態(tài)承臺(tái)基本組合作用下最大正彎矩108 628 kN·m,位于橋墩右立柱處,該處抗彎承載力為243 703 kN·m;基本組合作用下最大負(fù)彎矩47 156 kN·m,出現(xiàn)在左側(cè)端部承臺(tái)處,該處抗彎承載力為170 121 kN·m;端部承臺(tái)基本組合作用下最大剪力為22565kN,該處抗剪承載力為30274kN;跨中段基本組合作用下最大剪力為12 985 kN,該處抗剪承載力為14 014 kN。綜上所述,混合承臺(tái)正截面抗彎及斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
圖14 最大彎矩及其抗力(單位:kN·m)
圖15 最小彎矩及其抗力(單位:kN·m)
4.2.3 正常使用階段抗裂性驗(yàn)算
按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第 6.4.3條規(guī)定,鋼筋混凝土構(gòu)件和B類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度為:
式中,C1為鋼筋表面形狀系數(shù);C2為長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù);C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù);σSS為鋼筋應(yīng)力,MPa;c為最外排縱向受拉鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度,mm;d為縱向受拉鋼筋直徑,mm;ρe為縱向受拉鋼筋的有效配筋率;Es為鋼筋的彈性模量,。
根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第6.4.2條規(guī)定,該工程所在I類(lèi)環(huán)境中B類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度限制為0.1 mm,鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度限制為0.2 mm。
經(jīng)計(jì)算,跨中段為B類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,最大裂縫0.08 mm,小于規(guī)范允許值0.1 mm,位于橋墩右立柱處承臺(tái)下緣;端部樁頂承臺(tái)為鋼筋混凝土構(gòu)件,最大裂縫為0.11mm,小于規(guī)范允許值0.2mm,位于左承臺(tái)上緣。綜上所述,混合承臺(tái)計(jì)算最大裂縫寬度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。
經(jīng)計(jì)算,兩種方案的強(qiáng)度、抗裂性能等均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求,但從受力性能上說(shuō),方案一預(yù)應(yīng)力束張拉使得樁基產(chǎn)生附加彎矩,對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為不利。同時(shí),預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)與基礎(chǔ)剛度有關(guān),而按“m”法計(jì)算群樁基礎(chǔ)剛度時(shí),m的取值對(duì)基礎(chǔ)剛度影響較大,若基礎(chǔ)剛度較大,預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)樁基會(huì)分擔(dān)較多預(yù)應(yīng)力效應(yīng),承臺(tái)系梁達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求,受力不明確。而方案二承臺(tái)分段澆筑,預(yù)應(yīng)力束在系梁與樁基承臺(tái)連成整體前張拉,即能實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力全部施加到系梁上,又對(duì)樁基沒(méi)有影響,受力分析明確。從經(jīng)濟(jì)性能上說(shuō),方案二承臺(tái)系梁采用空心截面,雖然梁高較方案一增大50 cm,但總體混凝土體量比方案一小15.6%,方案二更經(jīng)濟(jì)。從施工角度上說(shuō),方案二采用分段澆筑,通過(guò)濕接段連成整體,施工時(shí)間較方案一略長(zhǎng)。綜合以上考慮,該工程推薦采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。
方案 預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心承臺(tái) 普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺(tái)對(duì)承臺(tái)的影響預(yù)應(yīng)力部分被樁基分擔(dān),無(wú)法100%施加到承臺(tái)系梁上且受力不明確預(yù)應(yīng)力全部作用在承臺(tái)系梁上,受力明確對(duì)樁基的影響預(yù)應(yīng)力在系梁與樁基連接前完成張拉,對(duì)樁基無(wú)影響經(jīng)濟(jì)性 系梁實(shí)心截面,混凝土體量較大(承臺(tái)共675 m3)預(yù)應(yīng)力張拉使樁基產(chǎn)生附加彎矩系梁空心截面,混凝土體量較?。ǔ信_(tái)共570 m3)施工便捷性承臺(tái)一次性澆筑,然后張拉預(yù)應(yīng)力束,施工較為便捷承臺(tái)分段澆筑,張拉預(yù)應(yīng)力后澆筑濕接縫,連成整體,施工較為繁瑣
為解決高架橋與地鐵線(xiàn)位重疊時(shí)橋梁樁基承臺(tái)如何設(shè)計(jì),本文對(duì)兩種承臺(tái)方案均進(jìn)行了詳細(xì)論證,經(jīng)計(jì)算,兩種承臺(tái)方案承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度、正常使用狀態(tài)下的抗裂性等均滿(mǎn)足規(guī)范要求,設(shè)計(jì)方案合理可行,但預(yù)應(yīng)力承臺(tái)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)受基礎(chǔ)剛度及土層特性影響較大,需精確設(shè)計(jì)。大跨徑承臺(tái)的應(yīng)用可使樁基的布置更為靈活,較好的解決了高架橋樁基與地鐵沖突的矛盾。