復雜地質條件下斜腿剛構的設計

2014-01-08 10:59:32蔣蓉蓉劉瑞萍

城市道橋與防洪 2014年10期

蔣蓉蓉，劉瑞萍

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

斜腿剛構因其造型美觀、結構受力合理、使用材料經濟，目前正越來越多的應用于工程實踐中。但由于斜腿剛構是多次超靜定結構，對溫度及基礎變位較為敏感；同時，斜腿剛構的受力特性與拱橋有相似之處，會對橋墩（臺）產生較大的水平推力。這些不利的因素限制了斜腿剛構的應用范圍。目前斜腿剛構大多應用于地基條件較好地區，以及上部荷載較小、跨徑不大的人行景觀橋梁。

本文結合桂林市臨桂新區新龍路橋結構設計，簡要介紹該斜腿剛構橋在多種工況下結構的受力特性；評估復雜地質條件下基礎變位對結構的影響；選用合理的下部結構形式，使基礎變位控制在斜腿剛構能承受的范圍內。

2 工程概況

新龍路橋上部結構采用鋼筋混凝土斜腿剛構，斜腿剛構跨徑41.282 m，斜腿的豎向傾角為40°，主梁總長為56 m，斜腿與主梁交點位置L邊/L中＝0.50。橋梁總寬47 m，分三幅設置，沉降縫設置在機非分隔帶中間，機動車道部分橋寬25 m，每側人非部分橋寬11 m，單側設置挑臂，挑臂長50 cm，見圖1。

圖1 新龍路橋效果圖

主梁中孔采用箱型斷面，中跨支點梁高2.2 m，跨中梁高1.0 m，梁底采用圓曲線；頂板厚20 cm，底板厚20～60 cm，腹板厚40 cm。主梁邊跨中支點梁高1.2 m，邊支點梁高0.6 m，梁底為直線，邊跨采用板式斷面，見圖2。

圖2 新龍路橋總體布置圖

斜腿亦采用板式斷面，下端厚0.6 m，上端厚1.5 m，與中跨和邊跨主梁之間分別倒10 m和0.5 m的圓角接順。

下部結構推薦采用鋼筋混凝土肋板式橋臺。肋板式橋臺的采用可以大大降低混凝土用量，節約工程造價。樁基礎可采用沖孔灌注樁基礎或人工挖孔樁。

橋梁兩側的塔與拉索為裝飾結構，拉索的張拉應力僅用來保證拉索線形，故其張拉力較小，對主體結構影響不大。

3 斜腿剛構結構受力特性分析

采用《橋梁博士3.2》計算軟件對新龍路橋作結構靜力計算，獲得該斜腿剛構在自重、汽車、溫度、基礎變位等作用下對結構產生的內力及對基礎產生的反力數據，分析上述各種作用對整個結構安全和使用性能的影響。

3.1 結構計算參數

本次僅計算兩條沉降縫中間25 m寬的機動車道部分?？紤]到結構自重對斜腿底部產生較大的彎矩，故在斜腿剛構主體結構施工時，斜腿與基礎采用鉸接連接，待上部結構變形穩定后將斜腿與基礎固結，再施工橋面系后成橋通車。

（1）恒載

一期恒載：鋼筋混凝土γ＝26 kN/m3；

二期恒載：C40混凝土80 mm，瀝青混凝土100 mm，γ=23～25 kN/m3。

（2）汽車荷載

公路Ⅰ級，6車道，車道折減系數0.55，橫向偏載系數1.25；

沖擊系數：參照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.3.2條計算。

（3）溫度梯度

箱梁日照溫差按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）第4.3.10條的豎向溫度梯度進行計算。

體系升溫：30℃ ，體系降溫：30℃。

（4）基礎變位

暫按兩個基礎各向外位移1 cm計。

3.2 結構建模及計算

有限元模型見圖3、圖4，全橋共分為70個單元。

圖3 有限元模型

圖4 中跨梁單元斷面

3.2.1 結構內力計算結果

（1）中跨跨中截面內力計算結果，見表1。

（2）中跨近斜腿根部截面內力計算結果，見表2。

（3）斜腿底部截面內力計算結果，見表3。

3.2.2 斜腿剛構結構安全計算驗算

新龍路橋斜腿剛構采用普通鋼筋混凝土結構。根據斜腿剛構的受力特性，其中跨和斜腿截面內存有較大的軸力，應按偏心受壓構件對結構進行承載能力極限狀態強度驗算和正常使用階段裂縫寬度計算。斜腿剛構腹板內配置Φ32的骨架鋼筋，其余部分根據彎矩大小配置1～2排Φ28的鋼筋，計算結果如下：

（1）承載能力極限狀態強度驗算，見表4。

（2）正常使用階段裂縫寬度計算，見表5。

表1 中跨跨中截面內力計算結果

表2 中跨近斜腿根部截面內力計算結果

表3 斜腿底部截面內力計算結果

表5 正常使用階段裂縫驗算結果

根據以上計算結果，斜腿剛構承載能力極限狀態強度驗算和正常使用階段裂縫寬度計算均滿足設計要求，結構是安全的。

3.2.3 基礎對斜腿底部支承反力計算結果（見表6）

表6 結構反力計算結果

通過對新龍路橋上部結構在各種作用下內力及對基礎的反力的數據分析，得出以下結論：

（1）斜腿剛構為有推力結構。在自重作用下上部結構對基礎所產生的水平力數值較大，甚至會比上部結構對基礎的豎向力更大。

（2）由于結構本身自重較大，結構整體性較好，故汽車荷載引起的結構內力所占比重較小。

（3）斜腿剛構是超靜定結構，結構整體剛度較大，故結構內力對溫度變化較為敏感，溫度作用引起的結構內力所占比重較大。

（4）由基礎變位，特別是水平向的基礎變位對結構內力影響很大，且斜腿剛構本身會對基礎產生很大的水平力。故需要采用能夠抵抗較大水平力且位移較小的基礎結構，以保證結構安全。

4 基礎結構設計

根據新龍路橋斜腿剛構上部結構的計算結果，基礎需要采用抵抗水平力較好，位移較小的結構。若是將斜腿剛構基礎直接嵌固于基巖之中將是一個最優的選擇。但是根據勘察報告，擬建工程場地存在不良地質現象，主要表現在：

（1）場地中大部分地段分布有軟～流塑粉質粘土③-3，呈軟～流塑狀態，埋深1.70～6.50 m，厚0.40～1.80 m，強度低，壓縮性高。且在ZK1孔近巖面揭示有一土洞，洞頂板埋深6.00 m（相應標高149.94 m），洞高 1.20 m。

（2）鉆探深度內揭示有溶洞，遇洞隙率62.5%，線巖溶率16.1%，場地淺層巖溶發育強烈。

另外，場地內地基巖土層種類較多，各土層厚度不一，一般層面坡度較大，并有地層尖滅或缺失，近巖面多發育有軟弱土，各巖土層工程特性均有較大差異，因此，場地內地基土屬于不均勻地基。

所以，無法直接將斜腿剛構基礎嵌固于基巖內，需要考慮采用其他基礎結構型式。

4.1 基礎結構型式比選

斜腿剛構與拱橋的一些受力特性相似，都屬于有推力結構，故斜腿剛構的基礎型式也可以借鑒拱橋的基礎型式，可以采用擴大基礎、整體防滑板基礎、豎向群樁基礎、斜樁基礎。以下是結合當地工程實際，對上述基礎型式進行綜合比選，見表 7。

表7 基礎型式比選

由于新龍路橋橋位處場地基巖埋置深度在10～15 m且上覆軟土，故擴大基礎無法滿足設計要求；同時因為工程場地圖層分布不均且有溶洞存在，若采用防滑板基礎可能導致混凝土板與地基土接觸不均，影響防滑板的受力特性；而且當地對斜樁基礎施工經驗不足，不容易控制施工質量。故而推薦采用豎向群樁基礎。由于樁長并不長，采用群樁基礎時樁基的造價占全橋整體造價比重較小，橋梁經濟指標控制較好。

4.2 群樁基礎計算

新龍路橋下部結構群樁基礎的計算主要針對兩個方面：（1）群樁基礎位移量的控制；（2）群樁基礎對水平力的承載能力。

4.2.1 群樁基礎用樁量估算及位移控制

根據《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008規定，對于樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可根據靜載試驗結果取地面處水平位移為6 mm（對水平位移敏感的建筑）所對應的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。當缺少靜載荷試驗資料時，可按下列公式估算：

本次設計樁基擬采用Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，根據地勘報告中橋位處典型的土層及巖層分布情況，計算得單樁水平承載力特征值Rha=683 kN。根據上部結構計算結果，兩沉降縫之間25 m寬的橋梁結構斜腿對承臺的最大水平推力（標準組合）約為22 000 kN，單側橋臺需要的樁數為 22 000/683=32.2。故暫定單側橋臺使用33根Φ1 500 mm鉆孔樁（25 m橋寬范圍內）。

為了確定斜腿剛構與下部結構共同作用下基礎的實際位移情況，筆者采用Midas Civil有限元分析軟件，對結構進行整體受力分析，見圖5、圖6。

圖5 Midas三維計算模型

圖6 自重作用下水平位移示意圖

根據Midas模型計算結果，該斜腿剛構在自重、汽車、溫度等作用下，其下部結構承臺的水平位移見表8。

表8 基礎水平位移量計算結果

通過對Midas計算結果的數據分析，可以證明25 m橋寬范圍內，單側橋臺使用33根Φ1 500 mm鉆孔樁，結構基礎的最大變位控制在6 mm左右，滿足基礎的剛度要求。對于結構基礎水平變位影響最大的因素是結構自重，因此可以認為，基礎水平變位絕大部分是在施工階段斜腿剛構脫模落架的過程中完成的，而橋梁運營階段所產生的基礎水平變位較小。

4.2.2 樁基承載能力驗算

對于群樁基礎，若地基土層、巖層分布均勻，各樁樁長一致，則各樁平均分配上部結構夠傳遞給基礎的水平力；若地基土層、巖層分布不均，各樁樁長不一，則各樁樁頂抗推剛度不同，導致各樁分配到的水平力不同。其中短樁剛度較大，所承受的荷載（包括水平力和彎矩）較大。

根據新龍路橋勘察資料，該橋位處基巖起伏較大，分布不均，且巖溶發育。因此各樁采用不同的樁長來保證每一根樁都進入基巖一定深度。這就引起其中較短的樁承受較大的荷載。

采用橋博基礎版計算軟件，建立新龍路橋25 m橋寬范圍內基礎模型，各樁根據地質實際情況采用不同的樁長和不同的不同的地層分布進行詳細計算，本文僅列出簡要的計算結果。

樁長、樁位布置見圖7、圖8。單樁截面承載力及裂縫最不利驗算結果見表9、表10。