多跨連續矮腿V型剛構的設計對策

曹國銀

（寧波市市政公用工程安全質量監督站，浙江寧波 315010）

1 概述

現代城市橋梁不僅要滿足交通功能，更多的還需考慮與周邊環境、景觀協調。寧波市福慶路后塘河大橋位于寧波新市府大樓東南側、東部新城中軸線上，并跨越核心區人工湖，因此橋梁景觀要求很高。若橋型平淡，難成為一個景觀節點；但若過度張揚，視線將在此收斂，會弱化市府大樓及周邊其它景觀，會產生喧賓奪主的視覺效果。經多橋型方案比選，確定采用五跨連續剛構橋型，其效果圖如圖1所示。

圖1 寧波市福慶路后塘河大橋效果圖

根據橋梁所處環境要求及選定橋型，主橋為35 m+3×52 m+35 m=226 m五跨連續V型墩剛構橋，兩側引橋采用2×20 m連續梁。主橋采用兩幅獨立的結構，每幅橋梁橫斷面采用分離式雙箱四室形式。分離式雙箱四室箱梁頂寬22.1 m，單箱底寬7.5 m，每側懸臂長度1.5 m。V墩處橋梁橫斷面如圖2所示。

主橋箱梁在跨中及端支點處梁高1.3 m，主梁與V墩相接處梁高2.4 m，梁高沿跨徑按圓曲線變化；箱梁頂板厚度24 cm，底板厚度24 cm，橋墩處加厚至60 cm；中腹板厚度40 cm，邊腹板厚度50 cm，支點處加厚至80 cm。V腿厚度80 cm～120 cm，高度5m，斜交角度為86°。主橋基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。

圖2 V墩處橋梁橫斷面示意圖

由于主橋為五跨連續V型墩剛構橋，V腿的高度僅為5 m，橋梁的整體水平剛度相對較大，溫度荷載和混凝土收縮徐變效應對結構的內力影響較大。在具體的計算分析中，橋梁整體水平剛度必須考慮上部結構和下部結構V墩、樁土剛度的耦合效應，而且要意識到不同的樁徑及樁基布置形式對橋梁的整體水平剛度影響非常大，V型墩下部結構基礎的設計是否合理是該工程設計的關鍵之處。

2 下部結構初選方案

當橋梁上部結構確定后，如何合理選擇下部結構形式是該工程設計重點。在初期的方案設計階段時，由于對橋梁受力特性理解不足，按常規思路，1～4號墩基礎采用3排100 cm鉆孔灌注樁，其立面如圖3所示。圖3中，尺寸標注單位除標高外為cm，墩號從左到右依次編號為0～5。

圖3 原設計方案立面圖

針對圖2所示的橋梁初步方案，進行建模計算，著重考察下部結構樁基的受力情況，計算過程及結果分析敘述如下。

2.1 計算模型及計算參數

應用MIDAS／Civil對設計方案進行計算。為簡化計算模型，在設計初期階段主梁采用單梁來模擬；但是，當考慮下部結構樁土效應時，將樁基按實際長度來模擬。采用在樁單元上設置彈性支承的方式模擬基礎的水平剛度，即把土體作為彈簧作用在樁體上，并利用“m”法進行土彈簧的計算。原設計方案的計算模型如圖4所示。

圖4 原設計方案的計算模型

在計算模型中，考慮以下計算荷載及計算參數：（1）混凝土容重取26 kN/m3；單幅橋二期恒載包括車行道鋪裝、防撞墻、人行道及欄桿等，荷載集度為105 kN/m；（2）汽車荷載：城－A級；人群荷載：根據規范折減后，取用3 kN/m2，人行道寬度5.5 m，即 16.5 kN/m；（3）整體升降溫：升溫 25 ℃，降溫25℃；日照升溫：T1=14℃，T2=5.5℃，日照降溫：T1=-7 ℃，T2=2.75 ℃；（4）墩、臺不均勻沉降取1 cm；（5）主要材料：主橋上部結構、V墩采用C55混凝土，縱向預應力采用Φs15.2高強度低松弛 鋼 絞線（GB/T5224-2003），抗拉強度為fpk=1 860 MPa；錨下張拉控制應力采用0.73 fpk，彈性模量 Ey=1.95×105MPa。

2.2 計算結果分析

在具體的結構設計中，上部結構預應力是按主梁混凝土應力滿足設計規范[1]的要求進行配束的。根據計算結果，得到主梁在短期組合下主拉應力為1.20 MPa，在標準組合下法向最大壓應力為15.85 MPa，主梁應力滿足規范要求。

雖然上部結構主梁的應力能夠滿足設計規范的要求，但并不意味著下部結構樁基受力也能夠滿足設計要求。根據設計經驗，以及計算分析結果，可以得到1、4號墩承受的彎矩及水平力最大，該處樁基為全橋樁基設計的控制點，表1列出了1、4號墩不同位置的單樁在使用階段標準組合下的樁頂軸向力效應值。表1中，壓力為負，拉力為正；成橋時是指橋面二期完成時刻。

由表1可見，雖然剛成橋時橋墩樁基在最不利組合下（不包括±25℃總體溫度效應以及活載效應）均為受壓狀態，但隨著時間的推移，在溫度效應和收縮徐變效應作用下，外側樁頂壓力逐漸減小直至出現較大的上拔力。

該橋為5跨連續V型剛構，1、4號墩離溫度效應零點的長度較長，而5m高度的矮V腿和3排樁基礎使橋梁的整體水平剛度比較大，對橋梁縱向水平位移及轉角約束大；在總體升降溫及混凝土收縮徐變效應作用下，1、4號墩在承臺與樁的交接處產生很大的彎矩及水平推力，而彎矩及水平推力則分別通過3排樁基的軸力（在彎矩作用下，假定承臺為無限剛性，則一側樁受拉，另外一側樁受壓，而中間樁軸力很小）和剪力來平衡；由此可見，總體升降溫及混凝土收縮徐變效應是導致1、4號墩內、外側樁基受力極不均勻的最主要原因。

3 設計對策

根據以上計算分析可知，原設計方案中1、4號墩樁基出現上拔力，且軸力變化幅度也很大，這樣對樁基受力十分不利。為改善樁基受力，在設計過程曾采用以下設計措施：（1）將l、4號墩樁基中心向橋梁中心偏移60 cm，同時也將2、3號墩樁基中心向橋梁中心偏移50 cm；（2）在橋梁設計年限內，按1、4號墩內、外側樁基樁頂最大軸力基本相等原則，在中跨跨中合攏段合攏之前施加2 000 kN的水平推力。采用上述設計措施后，雖然1、4號墩樁基在最終使用階段沒有出現上拔力，但其最大、最小豎向力相差太大，樁基受力沒有得到根本上的改善。這是因為：第一個設計措施可以理解為將l、4號墩樁基垂直受力中心線設置預偏心，2、3號墩樁基也與之相同，這樣可以改善樁頂受溫度荷載及混凝土收縮徐變效應作用而造成的受力不均勻性，但作用效果比較有限；第二個設計措施相當于給V型墩底預加一個與最不利彎矩方向相反的附加彎矩，以改善樁基的不均勻軸力，但是這個頂推力是隨著時間的推移、混凝土收縮徐變效應的開展而減弱，作用效果不能明確，在實際設計中只能作為一個安全儲備措施。

表1 1、4號墩單樁在使用階段不同時間的樁頂軸力一覽表（單位：kN）

為了消除由于溫度、收縮徐變對多排樁造成的樁頂受力不均勻性，只能降低1、4號墩的樁基水平剛度，從而減弱對縱向水平位移及轉角的約束作用，減少V型墩墩底彎矩，以及水平推力，使得橋梁設計更為經濟合理。在橋梁上部結構保持不變的情況下，最終采用以下調整方案：1、4號V墩采用單排Φ180 cm鉆孔灌注樁；2、3號V墩采用雙排Φ120 cm鉆孔灌注樁，且樁基中心線向橋梁中心偏移50 cm。調整后的橋梁立面布置如圖5所示，圖中尺寸標注單位除標高外為cm。

圖5 方案調整后的橋梁立面布置圖

由于調整方案為施工圖設計的最終方案，在模型建立時采用雙梁模型[2]，雙梁之間用橫梁模擬箱之間的橫隔梁及后澆帶。在建立下部結構模型時，按樁基現場靜載試驗結果采用m-P-y法[3]模擬樁-土作用模型。方案調整后的計算模型如圖6所示。

圖6 方案調整后的計算模型

分析1、4號墩樁基的受力情況是結構計算分析的重點，表2列出了1、4號墩單樁在各個作用下的樁頂軸力。由表2可見，溫度荷載對樁基軸力的作用效應變化范圍很小，混凝土收縮徐變的作用效應隨時間變化也不明顯，而且從數值上來看，幾乎可以不計其對樁基總軸力的影響。由此可知，設計方案調整后，1、4號墩的樁基在最不利組合下不再出現上拔力，且其最大、最小軸力差值比調整前大大減小，樁基受力比較合理。

此外，根據計算分析可知，設計方案調整后，1、4號墩的樁基剛度僅為調整前的0.09倍，采用單排樁使橋梁整體水平剛度變小，從而也使得上部結構對溫度及收縮徐變等作用的敏感度降低；設計方案調整后上部結構承受各種作用產生的主梁截面應力效應值都有所減小，預應力鋼筋產生的次效應也明顯降低。通過計算，在主梁抗裂水平與方案調整前相同情況下，實施方案橋梁上部結構配束量比原方案要少15%；單排樁基礎承臺混凝土用量僅為3排樁基礎的55%，鉆孔灌注樁的混凝土工程量也要少11%。

所以，從上部結構受力、單樁所受豎向力，以及經濟指標而言，采用單排樁基礎是切實可行的。

4 施工及構造保證措施

為確保實現以上設計意圖，以及橋梁的順利建成，提高橋梁在正常營運期間的結構安全度，提出以下一些有效的施工及構造保證措施：

（1）1、4號墩采用180 cm單排樁后，為了能夠提高單樁的抗剪與抗彎能力，在1、4號墩鉆孔樁上部采用雙層鋼筋籠外，還設置了剛度較大的永久性鋼護筒（護筒長10 m，由1 cm厚鋼板卷制而成）。鋼護筒與承臺相連，在承臺施工時，在護筒頂增加連接鋼筋，使護筒和承臺充分固接形成整體。

（2）主橋合龍后，上部結構在各種荷載作用下要發生縱向位移。為了減少基礎對縱向位移的約束作用，降低結構的附加內力，在箱梁合龍前，應對承臺兩側一定范圍內在施工階段進行處理過的地基和硬化土清除充分。具體的施工措施為：a.采用機械方法將承臺兩側各5 m范圍塘渣及硬化基礎清除；b.拔出基礎中的松木樁；c.采用原始軟土進行回填至設計標高。

表2 1、4號墩單樁在各個作用下的樁頂軸力一覽表（單位：kN）

（3）為了減少由樁基不均勻沉降而產生的上部結構和樁基的不利附加內力，所有樁基均采用了樁底注漿處理措施，以控制樁基的沉降。具體的施工措施為：每根鉆孔樁設置3跟注漿管，注漿管與檢測樁基的檢測管形成回路，在成樁14 d后并經超聲波檢測合格后方可進行樁底注漿。

5 結語

由于橋梁建筑景觀需要，寧波市福慶路后塘河大橋主橋采用了跨徑布置為35m+3×52 m+35 m=226m的五跨連續V型剛構，其中V型墩的V腿高度只有5m。通過對該橋設計過程所進行的方案優化和結構計算分析，可以得到一些結論，以供類似橋梁結構設計參考：

（1）多跨連續矮腿V型剛構橋的整體水平剛度問題更加突出，V型墩基礎設計是整個橋梁設計的關鍵。

（2）對于該橋來說，如果V型墩采用三排樁，則橋梁整體剛度很大，整體升降溫及混凝土收縮徐變效應是導致1、4號墩（次中墩）內、外側樁基受力極不均勻的最主要原因。

（3）1、4號墩采用單排樁后，樁基的水平剛度大大降低，整體升降溫及混凝土收縮徐變效應對結構的作用效應明顯減弱，樁基受力改善顯著。與采用三排樁的設計方案相比，1、4號墩采用單排樁的設計方案結構受力合理、工程造價經濟。

該橋于2010年完成施工，并于同年12月完成成橋荷載試驗，試驗結果符合設計規范要求。

[1]TJG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2]王家林，彭凱，孫全勝.橋梁橫向分布影響線的平面桿系有限元計算方法[J].重慶交通學院學報，2005，24(3)：11-15.

[3]王春，王宏東.樁-土作用模型在橋梁設計中的研究與應用[J].工程與建設，2007，21(5)：770-772.