某獨柱梁式橋變更處理分析及樁基驗算

張文博

（中交第四公路工程局有限公司,北京 100010）

0 引言

近幾年，我國匝道橋因超載等問題引起的橋梁獨柱墩處側翻事故時有發生，近年在互通匝道橋設計時，小半徑曲線橋往往避免獨柱墩，必須采用獨柱墩時，一般采取固結形式。同時在橋梁設計施工中，因設計和施工失誤發生的事故也偶有發生，產生了難以想象的嚴重后果，如何補救加固是一個難題。該文選取了一處施工過程中由于坐標錯誤發生獨柱墩偏離原有位置的案例，通過實際分析計算，來探討遇到此類問題處理方式。

1 背景資料

某互通匝道號橋為（20+30+30+20）m 現澆箱梁，位于R=150 m 的左偏圓曲線上，上跨高速，與高速交角115°，為避免橋墩扎入現有高速公路，2 號墩斜做，且與箱梁橫梁固結。如圖1。

圖1 橋梁立面示意圖

箱梁橫梁正做，為保證固結面積，此處橫梁3 m 寬。

固結墩采用跨徑線與路幅中心線交點為中心，旋轉到與高速等角度（115°）。

由于施工按照設計線旋轉，未按照橋梁中心旋轉，使原設計圖紙中2#墩與箱梁底不對稱。現場橋梁已經施工完畢，橋墩偏移中心1.03 m，偏向曲線內側。如圖2所示。

圖2 實際橋墩位置示意圖

2 定性分析

橋梁位于R=150 m 圓曲線上，由于曲率影響，梁截面發生豎彎必產生扭轉，產生撓曲變形，這種現象被廣泛稱“彎—扭”耦合作用，通常截面處于彎扭耦合作用時，彎梁截面的主拉應力通常比直梁橋要大很多，會產生扭轉變形，且梁曲線外側的豎向撓度是大于同跨徑的直橋的，梁端有可能出現翹曲，梁端橫橋向約束較弱時，梁體可能有向彎道外側移動的趨勢。

梁存在較大扭矩，會使梁的外側超載、內側卸載甚至脫空，橋面寬度較大時內、外梁的荷載差異更大。由于內、外梁的支點反力有時相差很大，當活載發生偏移時，內梁可能產生負反力。曲線橋外邊緣撓度大于內邊緣的撓度，曲率半徑越小這一趨勢越明顯，曲線內外的橫向溫度梯度很小。

曲線梁橋結構設計中，有必要進行全面的整體的空間受力計算分析，對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲作用下，結合自重、預應力和汽車活載等荷載進行詳細的受力分析。

獨柱墩一聯長度不大，橋面寬度最好三車道以下，對結構穩定較為有利。

現建立空間模型進行分析，模型建立時，注意以下幾點：

（1）根據實際情況建立空間模型，選取六個自由度。

（2）下部墩柱，基礎剛度要計入。

（3）荷載注意彎剪扭的空間最不利組合，以及支承反力最不利布載和最不利組合。

（4）傾覆穩定分析注意以下原則：1）以全部荷載支撐體系的抗扭約束可靠性為基礎。2）以結構體系被破壞轉變為結構體系傾覆原則。3）傾覆破壞必須滯后于結構強度破壞。

具體建模過程略。

3 處置措施

由于此處主梁與墩柱固結，在滿足預加力、溫度力、制動力、地震力等水平荷載作用下，利用墩柱和基礎的縱橋向抗彎剛度和抗彎承載力，增加剛度限制位移，提高橋梁的抗傾覆能力。橋梁審核及設計人員對現場實際情況進行了分析計算，目前已實施完成方案橋梁主梁和墩柱銜接方式比較穩定，但是在長期偏壓及不利荷載作用下，耐久性較差，為保證橋梁在長期偏壓及不利荷載作用下整體安全、受力平衡，須在已施工完成的承臺長度內對橋墩進行適當加寬。

變更方案如下：

（1）在既有墩柱向曲線半徑外側增加一個墩，并使新增墩柱與原墩柱成為一體。

（2）施工完成后，為使新舊橋墩區別不明顯，表面涂裝裝飾，為解決收縮開裂問題可考慮夾克法，力求美觀。

（3）橋墩頂底面區域對應的箱梁橫梁和橋墩承臺鉆孔植筋，在現澆箱梁橫梁底和橋墩承臺頂鉆孔時，盡量定位原箱梁承臺主筋箍筋位置，可合理移動植入鋼筋位置，盡可能不要截斷橫梁和蓋梁鋼筋，如圖3。

圖3 橋墩縱向加固圖

（4）新增部分采用鉆孔植筋法與原橋墩連接，植筋前對原橋墩連接處進行鑿毛處理，如圖4。

圖4 橋墩橫向加固圖

（5）依據《公路橋梁加固設計規范》（JTG/T522—2018）[1]附錄A 植筋中A.2.3 條植筋的基本錨固深度計算公式ls=0.2αsptdfy/fbd，計算得出三級鋼筋直徑28 mm 的錨固深度應為41.1 cm，墩柱植筋深度50 cm 滿足要求，補充膠黏劑要求并按照規范計算植筋深度，側面植筋采用梅花狀排布。

此變更方案經專家組審查，方案合理，經濟可行，工程量增加較小的情況下能夠保證耐久性和安全性。在橋梁設計壽命內對此設計方案負責。

4 橋墩樁基驗算

墩柱尺寸增加1.5 m×1.3 m×8.2 m，自重增加，且樁基受偏載作用，新增橋墩處下的樁基樁頂力增加，需要再次驗算樁長，確保樁長滿足要求。因下部施工已經完成，需對現有結構重新進行樁基驗算，已確定樁基是否需要處理。

4.1 橋墩構造

橋墩采用矩形柱式墩，墩柱尺寸為5.0 m（橫橋向）×1.3 m（縱橋向）。墩身下接矩形承臺，承臺尺寸為3.2 m（縱橋向）×8.2 m（橫橋向）×2.0 m（厚度），承臺下設2 根Φ1.8 m 的鉆孔灌注樁。樁基采用C30 水下混凝土。墩身及承臺與路線設計中心線交角115°。

圖5 橋墩平面布置圖

4.2 樁頂反力計算

上部靜力計算：結構為（25+30+30+25）m 預應力混凝土現澆箱梁，交角90°，跨越主線橋墩采用115°上部現澆箱梁采用正交布設，箱梁寬度12.25 m，高1.7 m，懸臂長2 m。主橋縱橋向結構靜力計算采用橋梁博士進行，按A 類部分預應力構件進行計算。全橋共分為110 個單元，111 個節點。

荷載取值：

（1）一期恒載包括箱梁材料重量。混凝土容重取2.6 t/m3，箱梁按實際斷面計取重量。箱梁橫隔板以分布力計入。

（2）二期恒載包括護欄和橋面鋪裝，橋面鋪裝采用10 cm 瀝青混凝土+8 cm 水泥混凝土調平層，瀝青混凝土容重為2.4 t/m3，水泥混凝土容重為2.6 t/m3。二期恒載（橋面鋪裝+護欄）為：6.6 t/m。

可知2#墩處豎向力最大9 430 kN。

（3）活載。公路I 級。采用單梁計算時，設計車道數根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[2]確定。

計算可得：

墩柱處豎向力 5 m×1.5 m×8 m×2 kN/m=1 500 kN

承臺處豎向力 8.2 m×3.2 m×2 m×25 kN/m=1 312 kN

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[3]各工況組合下群樁頂的反力如表1 所示。

表1 樁頂反力計算結果

取最不利情況，單樁承載力按照9 846 kN 計算。

將樁頂反力按X 方向（垂直于樁基中心線方向）和Y 方向（平行于樁基中心線方向）分解，各工況組合下群樁頂的反力如表2 所示。

表2 群樁頂反力計算結果

4.3 群樁容許承載力計算

樁長計算依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[4]，采用群樁計算軟件進行計算。

根據鉆孔資料可知，該橋樁底持力層為細砂，樁基按摩擦樁計算。經計算，樁基樁長及相應驗算結果如表3所示。

表3 樁長計算結果匯總表

4.4 樁身強度、裂縫計算

樁基直徑Φ1.8 m，樁身均勻布置51 根直徑為28 mm的HRB400 級鋼筋。取承臺受力最不利單樁進行承載能力極限和正常使用極限計算，結果如表4、表5 所示。

由表4 可知，樁基抗彎和抗壓強度滿足規范要求。

表4 單樁承載能力極限計算結果

由表5 可知，樁頂位移均小于6 mm，且樁身裂縫計算滿足規范要求。

表5 單樁正常使用極限計算結果

因此原結構樁長合理，承載力滿足要求，樁基可繼續使用，無須增加樁基。

5 結束語

采取上述處理方式，是屬于基于現有理論的補救措施，隨著理論的發展以及工程實際使用過程中的變化，理論應得到補充和發展，因此應時刻關注此橋墩的實際使用情況，如有變化應進一步研究加固方案。這就更要求工作者在設計施工中務必精準，交出的圖紙務必做到再三檢測，與施工單位設計交底時重點地方著重交代，施工單位拿到圖紙和數據時也要認真復核，遇到問題及時提出，這樣能避免更多嚴重事故的發生。