張科峰
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,山西 太原 030032)
逆作法于1933年日本首次提出概念,1935年成功應(yīng)用于東京本社大廈,之后便在美、德、法等國得到了廣泛應(yīng)用。我國對逆作法施工的研究與應(yīng)用起步較晚,1955年哈爾濱的人防工程中首次提出后,國內(nèi)工程界便開始對該技術(shù)進行了深入的探索與研究。順作法是由下而上依次施工的,一般需要先做支護,再開挖土方至設(shè)計標(biāo)高,開挖中還需根據(jù)情況做臨時支撐,然后由底層開始逐層向上施工。逆作法的施工工序正好與之相反,它是一種非常規(guī)的新型工法,它的工序是由上至下的,一般先施工支護結(jié)構(gòu),同時施工支撐柱或樁,以承受上部結(jié)構(gòu)自重及施工荷載,然后由上至下逐層開挖土方至設(shè)計標(biāo)高,并逐層施工地下工程。逆作法具有縮短工期、對周邊建筑物影響小、減少施工期臨時設(shè)施投入、降低工程造價等特點,目前已成為高層建筑、深基坑、地鐵站臺等地下工程施工中常用的一種比較先進的施工工法。
眾所周知,由于鋼管對混凝土的套箍作用,使得混凝土三向受壓,大大提高了混凝土的承載力,且延性也大為改善。同時,混凝土改善了鋼管的局部屈曲,大大提高了鋼管的穩(wěn)定性。此外,鋼管在施工中也可作為混凝土澆筑的模板,減少了模板費用。因此,鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)發(fā)揮了兩種材料的特性,特別適合在逆作法施工中使用。
雖然目前逆作法施工的應(yīng)用已比較廣泛和成熟,但在公路交通領(lǐng)域的實際應(yīng)用還比較少。以山西省內(nèi)某高速公路項目中一座車行天橋為背景,通過與傳統(tǒng)施工在施工工序、結(jié)構(gòu)受力、工程造價等方面進行對比分析,結(jié)果表明鋼管混凝土橋墩與逆作法施工在該項目中優(yōu)勢明顯,在類似項目中應(yīng)用前景廣闊,值得大力推廣與應(yīng)用。
該橋位于臨猗縣孫吉鎮(zhèn)三趙線,為上跨高速主線而設(shè),上部結(jié)構(gòu)采用(22+35+22)m一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺,樁柱一體墩,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋梁全長86 m。主要技術(shù)標(biāo)準如下:
a)荷載等級 公路Ⅰ級。
b)橋面凈寬 1×凈(9~9.851)m。
c)地震 動峰值加速度0.15g,特征周期為0.40 s抗震設(shè)防烈度Ⅶ度,抗震措施等級偏安全取三級[1]。
d)平面線型 平面分別位于直線和緩和曲線(參數(shù)A:48.374,左偏)上。
e)縱斷線型 縱斷面位于3%的直坡段(下坡)。
a)地形地貌 橋梁處于黃土殘塬與沖溝組合區(qū),橋位處地形開闊、地勢平坦。
b)水文地質(zhì) 橋址區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水,對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋均具微腐蝕性。
圖1 橋梁立面布置圖(單位:cm)
c)地層巖性 按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363—2019)[2],橋址區(qū)各主要巖土層容許承載力[fa0]及樁周土摩阻力標(biāo)準值qik如表1。
表1 各主要巖土層力學(xué)參數(shù)建議值 kPa
d)不良地質(zhì)與特殊巖土 橋址區(qū)不良地質(zhì)主要為發(fā)育的落水洞,該次采用對處于橋梁范圍內(nèi)的洞穴進行挖除處治,同時加強截排水設(shè)置,以消除對橋梁的影響。特殊性巖土為Ⅱ級(中等)非自重濕陷性黃土,濕陷深度為9~11.5 m。
e)場地穩(wěn)定性 橋址區(qū)無活動構(gòu)造,區(qū)域穩(wěn)定性較好,場地類別為Ⅱ類。
天橋按常規(guī)工序,先是施工主線路基,施工完成后再施工橋梁基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu),完成后再進行支架搭設(shè)及上部現(xiàn)澆箱梁的施工。主線一旦開挖,天橋接線必然需要臨時中斷,中斷周期由天橋施工工期決定,因而對地方路網(wǎng)正常通行構(gòu)成一定影響。
該橋地處臨猗縣,為著名的蘋果之鄉(xiāng),每年蘋果成熟期公路上運輸車輛多,對地方路網(wǎng)交通需求大。三趙線在橋址區(qū)為一條比較重要的地方通道,若因施工臨時中斷,應(yīng)做臨時保通設(shè)計。但根據(jù)現(xiàn)場地形、地勢,臨時改線設(shè)計比較困難,且造價很高,經(jīng)濟性差。因此,能否在不中斷地方交通或短暫中斷的前提下,先施工完成接線橋梁,再開挖施工主線,既不影響地方道路通行也不影響主線施工。
針對上述實際問題,分別按方案1(混凝土橋墩+常規(guī)施工)、方案2(鋼管混凝土橋墩+逆作法施工)兩種方案考慮本橋設(shè)計與施工。
表2 方案1主要施工工序
表3 方案2主要施工工序
采用Midas Civil有限元分析軟件,分別建立計算上部、下部結(jié)構(gòu)模型,按現(xiàn)行規(guī)范進行驗算。
上部結(jié)構(gòu)采用梁格模型,按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計,上部結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。
圖2 上部結(jié)構(gòu)有限元模型
下部結(jié)構(gòu)墩底約束采用固結(jié),支座采用一般彈性連接模擬盆式支座,支座剛度按支座具體型號計算確定,荷載工況主要考慮以下兩種工況:
a)工況1 永久作用+汽車荷載+溫度作用+風(fēng)荷載+汽車制動力。
b)工況2 永久作用+汽車荷載+溫度作用+風(fēng)荷載+支座摩阻力。
靜力計算橋墩配筋為避免模型中邊界模擬不清引起的誤差,采用上部主梁模型內(nèi)力經(jīng)組合后驗算橋墩,與有限元模型計算結(jié)果對比后擇優(yōu)采用。下部結(jié)構(gòu)靜力計算有限元模型見圖3。
圖3 下部結(jié)構(gòu)靜力分析模型
建立全橋三維空間模型,以反映橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼特性,并考慮邊界條件對模型的影響。上、下部結(jié)構(gòu)及樁基均采用空間梁單元模擬,支座采用雙折線彈簧單元模擬,其恢復(fù)力模型見圖4。采用等代土彈簧模擬樁土效應(yīng),彈簧剛度k按式(1)計算:
圖4 活動盆式支座恢復(fù)力模型
式中:a為土層厚度;b1為樁基計算寬度;m為土側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù),取m=2m靜;Z為各土層距地面距離?;炷磷枘岜热?.05,鋼管系梁阻尼比取0.03,鋼管混凝土構(gòu)件根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB 50936—2014[3]規(guī)定:E1地震作用下分別取0.035、0.04,E2地震作用下取0.05。全橋抗震分析模型見圖5。
圖5 全橋抗震分析模型
上部主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁,方案1與方案2對于上部現(xiàn)澆梁而言差別不大,與常見現(xiàn)澆箱梁并無二致,且筆者認為本次研究重點在下部結(jié)構(gòu),因此上部結(jié)構(gòu)不再贅述,僅列出驗算結(jié)果。上部現(xiàn)澆箱梁驗算結(jié)果見圖6、圖7及表4。
表4 上部主梁持久/短暫狀況計算結(jié)果表
圖6 主梁正截面抗彎承載能力驗算結(jié)果圖形
圖7 主梁斜截面抗剪承載能力驗算結(jié)果圖形
4.2.1 混凝土橋墩+樁基
下部混凝土橋墩采用1.6~1.8 m雙柱墩,其一般構(gòu)造見圖8所示。根據(jù)最不利工況內(nèi)力組合設(shè)計值,按通規(guī)[4]、鋼預(yù)規(guī)[5]要求進行配筋驗算。截面配筋大樣見圖9,橋墩及樁基配筋計算結(jié)果見表5。
圖8 混凝土橋墩一般構(gòu)造圖(單位:cm)
圖9 混凝土橋墩截面配筋大樣圖
表5 混凝土橋墩及樁基配筋計算結(jié)果
4.2.2 鋼管混凝土橋墩+樁基
《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于鋼管混凝土柱的承載力計算方法主要為:《實心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 254的統(tǒng)一理論設(shè)計法和《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 28的極限平衡理論設(shè)計法,兩種方法均可對實心鋼管混凝土構(gòu)件進行設(shè)計,在實際工程中均得到了實踐應(yīng)用。按規(guī)范條文說明,設(shè)計中可按習(xí)慣選擇其中一種,不必同時采用兩種方法進行驗算,該次驗算采用統(tǒng)一理論設(shè)計法,計算公式詳見《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中第5章相關(guān)條文。為與混凝土橋墩對比具有一致性,鋼管混凝土橋墩也采用1.6~1.8 m雙柱墩。鋼管采用Q345鋼[6],墩身范圍不設(shè)置鋼筋,為加強混凝土與鋼管連接,鋼管內(nèi)壁設(shè)置剪力釘。鋼管混凝土橋墩一般構(gòu)造見圖10,鋼管混凝土橋墩斷面大樣見圖11,靜力驗算結(jié)果見表6~表10。
表6 單肢鋼管混凝土柱在單一受力狀態(tài)下承載力計算
表7 單肢鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下承載力計算
表8 格構(gòu)式鋼管混凝土柱在單一受力狀態(tài)下承載力計算
表9 格構(gòu)式鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下承載力計算
表10 鋼管混凝土橋墩樁基配筋計算結(jié)果
圖10 鋼管混凝土橋墩一般構(gòu)造圖(單位:mm)
圖11 鋼管混凝土橋墩斷面大樣圖
地震對于橋梁的破壞是巨大的,但從眾多震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn),橋梁的下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)在地震中的破壞程度、頻率相比上部結(jié)構(gòu)要嚴重得多,一旦出現(xiàn)受損可能修復(fù)難度很大,有的甚至無法修復(fù),因此橋梁的抗震分析也側(cè)重于對下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的分析驗算。該次主要驗算橋墩及樁基在E1地震作用下的強度問題,對于E2作用下的彈塑性分析另行論述。
根據(jù)抗震規(guī)范,在計算方向上振型質(zhì)量參與系數(shù)應(yīng)達到90%以上,該次計算模型縱、橫向均達到97%以上,方向組合采用SRSS法[7],振型組合采用CQC法。設(shè)計反應(yīng)加速度譜見圖12所示。
圖12 設(shè)計反應(yīng)加速度譜
E1地震作用下,結(jié)構(gòu)總體應(yīng)處于彈性狀態(tài),截面抗彎剛度采用毛截面剛度。地震作用與永久效應(yīng)組合后按偏壓構(gòu)件進行強度驗算,驗算結(jié)果見表11。
表11 混凝土橋墩與樁基強度驗算結(jié)果
鋼管混凝土橋墩在地震作用下采用組合后內(nèi)力值進行驗算,復(fù)雜受力狀態(tài)下偏保守采用最大內(nèi)力值,且認為其均同時發(fā)生在同一截面處。按規(guī)范考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)0.8,驗算結(jié)果見表12所示。
表12 單肢鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下承載力計算
表13 格構(gòu)式鋼管混凝土柱在復(fù)雜受力狀態(tài)下承載力計算
該次為受力對比一致,兩個方案墩型采用相同尺寸,因此方案2工程材料上優(yōu)勢不大。但從受力計算結(jié)果可見,鋼管混凝土橋墩富裕度很大,可以進一步優(yōu)化截面尺寸。為此,筆者采用優(yōu)化后截面進行了受力驗算并均滿足規(guī)范要求,據(jù)此進行工程量對比分析。
從表14可知,鋼管混凝土橋墩配合逆作法施工,在造價方面優(yōu)勢明顯,節(jié)約造價50%以上,具有顯著的經(jīng)濟效益。此外,筆者后期經(jīng)過計算,對鋼管混凝土橋墩進行了優(yōu)化設(shè)計,只在墩樁連接段局部設(shè)置剪力釘,取消了墩身全范圍設(shè)置。同時對止?jié){板增設(shè)加勁肋,避免因樁基較長,澆筑混凝土過程中翻漿發(fā)生。優(yōu)化后方便施工的同時降低了工程造價,進一步提高了該墩型的經(jīng)濟性。
表14 全橋橋墩工程造價對比表
本文以一座公路車行天橋為例,分別考慮常規(guī)正作法混凝土橋墩和逆作法鋼管混凝土橋墩兩種施工方案,通過對施工工序、結(jié)構(gòu)受力及工程造價等方面進行對比分析,結(jié)論表明鋼管混凝土橋墩配合逆作法施工具有承載力高、施工方便和工程造價低的優(yōu)勢,在相同或相近項目中具有非常顯著的社會效益和經(jīng)濟效益,值得大力推廣和應(yīng)用。但同時也應(yīng)看到,逆作法對施工控制要求較高,如鋼管柱的定位與固定、保證垂直度需要的時時糾偏措施等。該次方案研究的方法和結(jié)論,可供同類型項目設(shè)計與施工借鑒和參考。