楊沈紅

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程概況

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，沿線需跨越多個(gè)路口，同時(shí)工程K2+080～K2+240段線位與已建地鐵四號(hào)線重疊。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）

2 大跨徑承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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，系梁跨中彎矩過大，將出現(xiàn)開裂，無法滿足設(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。

2.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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，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）

2.2 方案二：普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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，共24根15?s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，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）

3 邊界條件

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 結(jié)構(gòu)分析

4.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心承臺(tái)

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）

4.2 方案二：普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺(tái)

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)稱張拉跨中段頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力鋼絞線；（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類環(huán)境中B類預(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足規(guī)范要求。

5 方案比選

經(jīng)計(jì)算，兩種方案的強(qiáng)度、抗裂性能等均滿足相關(guān)規(guī)范要求，但從受力性能上說，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)樁基沒有影響，受力分析明確。從經(jīng)濟(jì)性能上說，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，方案二采用分段澆筑，通過濕接段連成整體，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，混凝土體量較小（承臺(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

6 結(jié)語

為解決高架橋與地鐵線位重疊時(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。