灌注樁交通橋設計分析

王鍵、孫彬彬

（1.山東省臨沂市費縣石嵐水庫服務股，山東臨沂273400；2.費縣水利工程保障中心，山東臨沂273400）

1 地理位置

費縣地處山東省中南部，東臨蘭山，西接平邑，南依蘭陵，北靠蒙山，自西北至東南連蒙陰、沂南，駐地費城東至探沂等工業重鎮與市區無縫對接，總面積1660km2。費縣地形復雜，地勢南北高，中間低，西部高，東部較低，呈現西北—東南傾斜的趨勢。且河流分布密集，多為降水補給為主，為雨源型河流。由于地勢陡峻、河流源短流急，具有汛期洪水暴漲、汛末基本干枯的山洪性河流特征，河水流量變化幅度較大。

2 建設背景

近幾年，國家為了加大加快中小河流治理進程，消除洪澇災害隱患，特別是“十三五”期間，費縣先后開展實施了一系列河道治理工程。在項目規劃設計過程中，為了更好地實現防洪治理與防汛路貫通相結合原則，需要在滿足河流行洪條件下，在河道上規劃、設計跨河橋梁、涵洞等過水建筑物，充分與兩岸道路銜接。為了滿足工程建設需要，需對工程建設中存在跨河建筑物的結構形式、投資比例等，進行設計前對比分析，現以灌注樁交通橋設計在溫涼河治理工程中應用為例，展開分析。

3 工程設計分析

該交通橋位于溫涼河(中泓樁號18+760 處)，其溫涼河為祊河一級支流，沂河二級支流。全長約82km，流域面積756.2km2。其中溫涼河在費縣境內長51.8km，費縣境內流域面積581.04km2，主河道比降約1.176‰。橋址處河底高程為106.50m 左右，兩岸設計高程118.50m，設計橋長152m，與河道中泓線呈30o夾角，20年一遇設計水位113.33m。橋面高程118.50m，橋面寬18+1.5×2+0.5×2m。

3.1 橋址斷面設計洪水計算

溫涼河控制斷面西胡家村以上和長澗村南支流河口以上對應溫涼河河道流域面積分別為618km2和602km2，控制斷面分為水庫和庫下區間兩個匯流單元，此次設計洪水計算采用許家崖水庫和控制斷面設計洪水同頻率，區間相應的地區組成，許家崖水庫控制斷面以上全流域設計洪水成果按水文比擬法推求，區間設計洪水與許家崖水庫下泄洪水錯時段疊加即為溫涼河治理段控制斷面以上設計洪水。

經計算，此次治理段西胡家村控制斷面20年一遇設計洪水流量為1044m3/s。

3.2 工程設計方案

該交通橋設計跨徑為20m，橋面凈寬22.0m，上部采用鋼筋混凝土預應力空心橋板，下部采用灌注樁基礎詳細指標見表1。

表1 交通橋工程設計指標表

3.2.1 設計標準

交通橋荷載等級為公路-Ⅰ級；荷載標準：公路-Ⅰ級；安全等級：Ⅰ級。

3.2.2 設計方案比選

根據橋址處的地形地質情況，擬定砌石墩板橋、鋼筋混凝土灌注樁預制空心板橋兩種方案進行比選，見表2 中的方案比選。

表2 交通橋設計方案比選表

由表2 可知，鋼筋混凝土灌注樁預制空心板橋方案雖然投資較大，但該方案具有抗沖能力強，抗震穩定性好的優點，因此此次推薦鋼筋混凝土灌注樁、預制空心板橋方案。

3.2.3 橋長、跨徑的確定

設計橋梁軸線與河道中泓夾角約30o，采用30o斜橋，橋址處河道主河槽寬約30m，河口寬約110m，為了盡量不縮窄河道行洪斷面，設計7 孔跨徑20m，兩側橋頭搭板各6m，橋長152.0m。

3.2.4 橋面高程的確定

根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）[1]中公式：

式（1）中：Hmin——橋面最底高程（m）；

Hs——設計洪水位（P＝5%）為113.33m；

Σ△h——考慮雍水、浪高、波浪雍高、水拱、局部股流雍高（水拱與局部股流雍高只取其大者）、床面淤高、漂浮物高等諸因素，總和為0.25m；

△hj——橋下凈空為0.5m；

△h0——橋梁上部構造建筑高度，包括橋面鋪裝為1.13m。

計算得出：Hmin＝115.21m，設計橋面高程118.50m，滿足要求。

3.2.5 鉆孔灌注樁承載力計算

按照承載能力極限狀態設計，采用作用的基本組合。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD 60—2015）[2]和《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[3]進行鉆孔灌注樁承載力計算。

式（2）中：Sud——承載能力極限狀態下作用基本組合的效應設計值；

γ0——結構重要性系數，本橋梁設計安全等級為二級為1.0；

γGi——第i 個永久作用的分項系數，該工程對應橋面鋪裝、橋板、蓋梁等作用為1.2；

γQ1——汽車荷載的分項系數，該工程采用車道荷載計算為1.4；

Q1k——汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）的標準值；

ψc——在作用組合中除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）之外的第j 個可變作用的組合值為0.75；

Qjk——在作用組合中除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）之外的第j 個可變作用效應的標準值；

γQj——在作用組合中除汽車荷載（含汽車沖擊力、離心力）和風荷載之外的第j 個可變作用的分項系數為1.4；風荷載分項系數為1.1；

γLj——第j 個可變作用結構設計使用年限荷載調整系數為1.0。

（1）橋面系荷載

人行道、欄桿：參照其他梁橋取用，單側為5kN/m

橋面鋪裝：0.18×13.25×25＝59.63kN/m

鉸和鉸縫：0.827×25＝20.67kN/m

行車道板：（12.02×8/20+14.22×2/20）×25＝155.75kN/m

橋面系恒載：g1＝（10 + 59.63 + 20.06 +155.75）×20＝4908.8kN

（2）蓋梁及墩柱

蓋梁：31.52×25＝788kN

墩柱：3.14×0.62×7.39×25×2＝417.68kN

蓋梁墩柱恒載：g2＝1259.2kN

（3）樁身置換后荷載

橋樁基長為6.25m，穿過的地基土層有壤土、砂礫石及弱灰巖，根據地質勘測結論，其土層濕密度分別為1.97g/cm2、1.98g/cm2及2.6g/cm2。樁基置換的差值為：

g3＝[1.0×（25-19.7）+1.0×（25-19.8）]×0.72×3.14＝16.16kN

（4）汽車荷載

此次設計所有橋梁汽車荷載標準均為公路-Ⅰ級，樁基承載力計算按橋梁整體結構計算方法，采用車道荷載計算。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），公路-Ⅰ級車道荷載均布荷載標準值qk＝10.5kN/m，集中荷載標準值Pk＝212kN。

該橋設計路面凈寬為18.00m，按4 車道進行設計。

計算單元內汽車荷載標準值Q1：

Q1＝（10.5×20+298.6）×4＝2034.4kN

（5）人群荷載

橋梁設計跨徑為20m，人群荷載標準取值為3.0kN/m2。由于該橋未設置專用人行道路板，僅按橋安全帶0.5m 寬計算人群荷載。則人群荷載標準值Q2為：

Q2＝3.0×0.5×20×2＝60kN

（6）豎直荷載總和

承臺底面以上的豎直荷載全部由樁擔承受，則每顆樁所承擔的荷載為：

Sud= 1.0×[1.2×(g1+g2+g3) + 1.4×Q1+ 0.75×1.4×Q2]

＝1.0×[1.2×（4908.8+1259.2+16.16）+1.4×2034.4+0.75×1.4×60]

＝10332.15kN

3.2.6 樁基承載力計算

根據地質勘探情況，地質自上而下分別為壤土、砂礫石和灰巖。查地質資料完整灰巖允許承載力為1000kPa，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019），此次設計灌注樁按端承樁設計。

鉆孔灌注樁的單樁軸向受壓容許承載力[Ra]：

式（3）中：[Ra]——單樁軸向受壓容許承載力（kN），樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮；

C1——根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的端阻發揮系數為0.48；

AP——樁端截面面積為1.54m2；

frk——黏土巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值為30MPa；

C2i——根據清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的第i 層巖層的側阻發揮系數為0.04；

u——樁身周長為4.40m；

hi——樁嵌入各巖層部分的厚度（m），不包括強風化層和全風化層；

m——巖層的層數，不包括強風化層和全風化層；

ζs——覆蓋層圖的側阻力發揮系數，根據樁端frk確定為0.2；

n——土層的層數，強風化和全風化巖層按土層考慮；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik——與li對應的各土層與樁側的摩阻力標準值（kPa）。

經計算，鉆孔樁的單樁軸向受壓容許承載力[Ra]＝24876kN。

F＜[Ra]，設計樁長能夠滿足要求。

3.2.7 抗震復核

根據橋梁通軟件7.8 版本抗震計算成果，該橋符合抗震規范要求。

3.2.8 工程布置

該防汛交通橋兩端與堤防相銜接，交通橋共7 孔，跨徑20m，長152m。橋寬18+2×1.5m，兩側防撞護欄各寬0.5m。

3.2.9 結構布置

上部結構采用20m 標準跨徑的鋼筋混凝土斜預應力空心板，全橋共7 孔。每跨2 塊1.25m 鋼筋混凝土邊板，13 塊1.25m 鋼筋混凝土中板，空心板高0.95m，板長20m，橋板混凝土標號為C40。橋面鋪裝為10cm 厚C40 防水混凝土，其上為8cm 厚的瀝青混凝土，橋面橫坡為1.5%，兩側排水。

下部結構采用鉆孔灌注樁式基礎，圓柱式橋墩臺，柱徑1.2m，樁距5.9m，河底沖刷線以下樁徑1.4m，樁長7.5（6.26）m。蓋梁為22m×1.6m×1.6m，系梁為1.0m×1.0m。

4 結語

工程項目規劃設計工作的細微處關系著風險防范和項目成敗，規劃設計準備得越充分、越細致，工程建設過程越順利。只有進行一系列的設計成果分析，優中選優，才能比選出最佳方案，并應用到實際中，為建設單位提供優質的設計成果。