鋼管混凝土橋墩在逆作法施工中的研究與應(yīng)用

張科峰

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

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(guó)得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)對(duì)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(guó)內(nèi)工程界便開(kāi)始對(duì)該技術(shù)進(jìn)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(hù)，再開(kāi)挖土方至設(shè)計(jì)標(biāo)高，開(kāi)挖中還需根據(jù)情況做臨時(shí)支撐，然后由底層開(kāi)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(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(kāi)挖土方至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并逐層施工地下工程。逆作法具有縮短工期、對(duì)周邊建筑物影響小、減少施工期臨時(shí)設(shè)施投入、降低工程造價(jià)等特點(diǎn)，目前已成為高層建筑、深基坑、地鐵站臺(tái)等地下工程施工中常用的一種比較先進(jìn)的施工工法。

眾所周知，由于鋼管對(duì)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(shí)，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(fèi)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(shí)際應(yīng)用還比較少。以山西省內(nèi)某高速公路項(xiàng)目中一座車(chē)行天橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)與傳統(tǒng)施工在施工工序、結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明鋼管混凝土橋墩與逆作法施工在該項(xiàng)目中優(yōu)勢(shì)明顯，在類(lèi)似項(xiàng)目中應(yīng)用前景廣闊，值得大力推廣與應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

1.1 橋梁簡(jiǎn)介

該橋位于臨猗縣孫吉鎮(zhèn)三趙線(xiàn)，為上跨高速主線(xiàn)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(tái)，樁柱一體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長(zhǎng)86 m。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

a）荷載等級(jí) 公路Ⅰ級(jí)。

b）橋面凈寬 1×凈（9～9.851）m。

c）地震 動(dòng)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(jí)偏安全取三級(jí)[1]。

d）平面線(xiàn)型 平面分別位于直線(xiàn)和緩和曲線(xiàn)（參數(shù)A：48.374，左偏）上。

e）縱斷線(xiàn)型 縱斷面位于3%的直坡段（下坡）。

1.2 建設(shè)條件

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(kāi)闊、地勢(shì)平坦。

b）水文地質(zhì) 橋址區(qū)地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水，對(duì)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(jì)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(zhǔn)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(duì)處于橋梁范圍內(nèi)的洞穴進(jìn)行挖除處治，同時(shí)加強(qiáng)截排水設(shè)置，以消除對(duì)橋梁的影響。特殊性巖土為Ⅱ級(jí)（中等）非自重濕陷性黃土，濕陷深度為9～11.5 m。

e）場(chǎng)地穩(wěn)定性 橋址區(qū)無(wú)活動(dòng)構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性較好，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

2 施工工序

天橋按常規(guī)工序，先是施工主線(xiàn)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(jìn)行支架搭設(shè)及上部現(xiàn)澆箱梁的施工。主線(xiàn)一旦開(kāi)挖，天橋接線(xiàn)必然需要臨時(shí)中斷，中斷周期由天橋施工工期決定，因而對(duì)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(píng)果之鄉(xiāng)，每年蘋(píng)果成熟期公路上運(yùn)輸車(chē)輛多，對(duì)地方路網(wǎng)交通需求大。三趙線(xiàn)在橋址區(qū)為一條比較重要的地方通道，若因施工臨時(shí)中斷，應(yīng)做臨時(shí)保通設(shè)計(jì)。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地勢(shì)，臨時(shí)改線(xiàn)設(shè)計(jì)比較困難，且造價(jià)很高，經(jīng)濟(jì)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(xiàn)橋梁，再開(kāi)挖施工主線(xiàn)，既不影響地方道路通行也不影響主線(xiàn)施工。

針對(duì)上述實(shí)際問(wèn)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(jì)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

3 有限元模型

采用Midas Civil有限元分析軟件，分別建立計(jì)算上部、下部結(jié)構(gòu)模型，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 上部結(jié)構(gòu)模型

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(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 下部結(jié)構(gòu)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(hào)計(jì)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(chē)荷載+溫度作用+風(fēng)荷載+汽車(chē)制動(dòng)力。

b）工況2 永久作用+汽車(chē)荷載+溫度作用+風(fēng)荷載+支座摩阻力。

靜力計(jì)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(yàn)算橋墩，與有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比后擇優(yōu)采用。下部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 下部結(jié)構(gòu)靜力分析模型

3.3 結(jié)構(gòu)抗震分析模型

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(duì)模型的影響。上、下部結(jié)構(gòu)及樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，支座采用雙折線(xiàn)彈簧單元模擬，其恢復(fù)力模型見(jiàn)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(jì)算：

圖4 活動(dòng)盆式支座恢復(fù)力模型

式中：a為土層厚度；b1為樁基計(jì)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。混凝土阻尼比取0.05，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(jiàn)圖5。

圖5 全橋抗震分析模型

4 靜力分析

4.1 上部主梁靜力驗(yàn)算

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(duì)于上部現(xiàn)澆梁而言差別不大，與常見(jiàn)現(xiàn)澆箱梁并無(wú)二致，且筆者認(rèn)為本次研究重點(diǎn)在下部結(jié)構(gòu)，因此上部結(jié)構(gòu)不再贅述，僅列出驗(yàn)算結(jié)果。上部現(xiàn)澆箱梁驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7及表4。

表4 上部主梁持久/短暫狀況計(jì)算結(jié)果表

圖6 主梁正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果圖形

圖7 主梁斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果圖形

4.2 下部結(jié)構(gòu)靜力驗(yàn)算

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(jiàn)圖8所示。根據(jù)最不利工況內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值，按通規(guī)[4]、鋼預(yù)規(guī)[5]要求進(jìn)行配筋驗(yàn)算。截面配筋大樣見(jiàn)圖9，橋墩及樁基配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(jì)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(jì)算方法主要為：《實(shí)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(jì)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(jì)法，兩種方法均可對(duì)實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中均得到了實(shí)踐應(yīng)用。按規(guī)范條文說(shuō)明，設(shè)計(jì)中可按習(xí)慣選擇其中一種，不必同時(shí)采用兩種方法進(jìn)行驗(yàn)算，該次驗(yàn)算采用統(tǒng)一理論設(shè)計(jì)法，計(jì)算公式詳見(jiàn)《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(duì)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(qiáng)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(jiàn)圖10，鋼管混凝土橋墩斷面大樣見(jiàn)圖11，靜力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算

表10 鋼管混凝土橋墩樁基配筋計(jì)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

5 抗震分析

地震對(duì)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(yán)重得多，一旦出現(xiàn)受損可能修復(fù)難度很大，有的甚至無(wú)法修復(fù)，因此橋梁的抗震分析也側(cè)重于對(duì)下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的分析驗(yàn)算。該次主要驗(yàn)算橋墩及樁基在E1地震作用下的強(qiáng)度問(wèn)題，對(duì)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(jì)算方向上振型質(zhì)量參與系數(shù)應(yīng)達(dá)到90%以上，該次計(jì)算模型縱、橫向均達(dá)到97%以上，方向組合采用SRSS法[7]，振型組合采用CQC法。設(shè)計(jì)反應(yīng)加速度譜見(jiàn)圖12所示。

圖12 設(shè)計(jì)反應(yīng)加速度譜

5.1 E1地震作用下混凝土橋墩+樁基

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(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 混凝土橋墩與樁基強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

5.2 E1地震作用下鋼管混凝土橋墩+樁基

鋼管混凝土橋墩在地震作用下采用組合后內(nèi)力值進(jìn)行驗(yàn)算，復(fù)雜受力狀態(tài)下偏保守采用最大內(nèi)力值，且認(rèn)為其均同時(shí)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(yàn)算結(jié)果見(jiàn)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(jì)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(jì)算

6 工程造價(jià)分析

該次為受力對(duì)比一致，兩個(gè)方案墩型采用相同尺寸，因此方案2工程材料上優(yōu)勢(shì)不大。但從受力計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，鋼管混凝土橋墩富裕度很大，可以進(jìn)一步優(yōu)化截面尺寸。為此，筆者采用優(yōu)化后截面進(jìn)行了受力驗(yàn)算并均滿(mǎn)足規(guī)范要求，據(jù)此進(jìn)行工程量對(duì)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(jià)方面優(yōu)勢(shì)明顯，節(jié)約造價(jià)50%以上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，筆者后期經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)鋼管混凝土橋墩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)對(duì)止?jié){板增設(shè)加勁肋，避免因樁基較長(zhǎng)，澆筑混凝土過(guò)程中翻漿發(fā)生。優(yōu)化后方便施工的同時(shí)降低了工程造價(jià)，進(jìn)一步提高了該墩型的經(jīng)濟(jì)性。

表14 全橋橋墩工程造價(jià)對(duì)比表

7 結(jié)語(yǔ)

本文以一座公路車(chē)行天橋?yàn)槔謩e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(guò)對(duì)施工工序、結(jié)構(gòu)受力及工程造價(jià)等方面進(jìn)行對(duì)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(jià)低的優(yōu)勢(shì)，在相同或相近項(xiàng)目中具有非常顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣和應(yīng)用。但同時(shí)也應(yīng)看到，逆作法對(duì)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(shí)時(shí)糾偏措施等。該次方案研究的方法和結(jié)論，可供同類(lèi)型項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工借鑒和參考。