寧波市機(jī)場路高架橋梁分幅施工的分析

袁明軍

（寧波城市交通建設(shè)有限公司，浙江 寧波315010）

1 工程概況

規(guī)劃機(jī)場快速干道作為寧波“三橫四縱”快速主骨架路網(wǎng)道路，位于寧波市中心城區(qū)中、西部地區(qū)，自北向南將繞城高速（北段）、江北大道、北環(huán)西路、環(huán)城北路、通途路、中山路、永達(dá)路、聯(lián)豐路、環(huán)城南路、杭甬高速、鄞縣大道、鄞州大道、繞城高速（南段）等東西向高、快速路及城市主要干道連接成為一個(gè)有機(jī)整體，是溝通中心城區(qū)與鄞南-奉化組團(tuán)、余慈地區(qū)最便捷的快速通道，是中心城區(qū)中西部路網(wǎng)的主要集散通道，同時(shí)還是寧波櫟社國際機(jī)場、寧波客運(yùn)中心及寧波鐵路南站樞紐的重要集散通道，在中心城區(qū)路網(wǎng)中具有重要的地位和作用。本文所闡述的機(jī)場快速干道工程起自中山西路、終點(diǎn)至機(jī)場路與 34省道立交起點(diǎn)（K5+230.355～K13+149.937），全長7 919.582 m。

主線高架采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，標(biāo)準(zhǔn)跨度30.0 m，主梁橫斷面型式主要為大傾角弧形邊腹板型式的多室單箱。標(biāo)準(zhǔn)段橋墩采用雙柱的中央造型橋墩。基礎(chǔ)采用直徑800～1 200 mm的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)典型斷面見圖1與圖2所示。

由于寧波市機(jī)場高架是在原機(jī)場路的基礎(chǔ)上建造的，地面交通不能中斷，對于有的如圖2所示的橋梁斷面區(qū)段需要分幅施工。分幅施工的主線橋梁，因兩幅橋落架時(shí)間不同，中間墩柱及基礎(chǔ)在施工過程中需承受較大的偏心彎矩。本文針對該工況考察中間墩柱、樁基的受力及變形情況，并提出一些施工過程的有效措施，為工程的順利實(shí)施提供有價(jià)值的建議。

圖1 橋梁設(shè)計(jì)典型斷面圖（一）（單位：mm）

圖2 橋梁設(shè)計(jì)典型斷面圖（二）（單位：mm）

2 分幅施工橋梁的下部結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)寧波市機(jī)場路高架分為五個(gè)施工標(biāo)段，由三家設(shè)計(jì)單位完成設(shè)計(jì)，其中I、II標(biāo)段由上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院設(shè)計(jì)，III標(biāo)段由林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司設(shè)計(jì)，IV、V標(biāo)段由天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。主線每個(gè)標(biāo)段都有分幅施工的區(qū)段，進(jìn)行綜合比較，對于分幅施工的橋梁結(jié)構(gòu)，I、II標(biāo)段與III標(biāo)段中間橋墩樁基礎(chǔ)的樁數(shù)與樁徑基本相同，而IV、V標(biāo)段樁基礎(chǔ)的樁數(shù)與樁徑卻完全不同。所以，分別選擇受力最不利的II標(biāo)段PZ74墩與V標(biāo)段61號墩作為研究對象，來分析分幅施工時(shí)橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩和樁基的受力特性。

II標(biāo)段的 PZ74 墩[1]，該墩為 PZ73～PZ76 連續(xù)梁的中墩，該聯(lián)橋梁跨徑布置為（31+40+31）m，單幅斷面寬為19.9 m。

PZ74的中間墩采用雙柱墩，墩高9.112 m，墩柱上橫橋向支座之間間距為5.6 m，承臺尺寸為7.00 m×7.9 m×2.50 m，共設(shè)有12根D800 mm的鉆孔灌注樁，單樁長56 m。該橋墩構(gòu)造及基礎(chǔ)布置如圖3所示。

圖3 II標(biāo)段的PZ74墩構(gòu)造及基礎(chǔ)布置示意圖

V標(biāo)段的61號墩[2]，該墩為60～65連續(xù)梁的中墩，該聯(lián)橋梁跨徑布置為5×30 m，斷面全寬為48.996～36.656 m。

61號墩的中間墩采用雙柱墩，墩高9.623 m，墩柱上橫橋向支座之間間距為5.6 m，承臺尺寸為7.00 m×4.6 m×2.50 m，共設(shè)有6根D1 000 mm的鉆孔灌注樁，單樁長64 m。該橋墩構(gòu)造及基礎(chǔ)布置如圖4所示。

3 分幅施工階段的下部結(jié)構(gòu)分析

3.1 計(jì)算模型

在分析分幅施工時(shí)橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩和樁基的受力特性時(shí)，本文所采用的計(jì)算工況、荷載及計(jì)算參數(shù)如下：

（1）結(jié)構(gòu)分析的對象為主線分幅橋梁的中間墩，僅計(jì)算單幅橋梁落架后的工況，支反力僅考慮箱梁自重。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果，可以得到，PZ74中間墩柱單個(gè)支座的箱梁自重反力為7 230 kN，而61號中間墩柱單個(gè)支座的箱梁自重反力為7 555 kN。

圖4 V標(biāo)段的61號墩構(gòu)造及基礎(chǔ)布置示意圖

（2）樁基內(nèi)力的計(jì)算采用m法，m值分別取3 000 kN/m4或5 000 kN/m4進(jìn)行計(jì)算，取最不利結(jié)果，且樁基沉降按受力最大的單根樁計(jì)算。

利用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000（V14.0）建模；立柱及系梁均采用三維空間梁單元，承臺采用厚板單元；考慮單樁的基礎(chǔ)剛度，利用“m”法建模計(jì)算得到6×6的剛度，利用Link單元體現(xiàn)在模型中。PZ74橋墩和61號橋墩結(jié)構(gòu)模型圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 PZ74墩計(jì)算模型圖

3.2 樁土彈簧剛度的計(jì)算

樁-土之間的作用采用彈簧來模擬，而土彈簧剛度的計(jì)算一般可以按照“m”法來計(jì)算。參考文獻(xiàn)[3][4]，作用在單個(gè)樁體上的水平土彈簧剛度可按下式計(jì)算：

圖6 61號墩計(jì)算模型圖

式(1)中：ki為作用在樁體第i點(diǎn)的水平土彈簧剛度kN/m；mi為位于第i點(diǎn)處土層的“m”值，kN/m4；zi為第i點(diǎn)離土層頂面（或地面）的高度，m；hi為計(jì)算第i點(diǎn)處土彈簧剛度值時(shí)所用的土體分布高度或高度貢獻(xiàn)，m；bli為計(jì)算第i點(diǎn)處土彈簧剛度值時(shí)所用的土體分布寬度或?qū)挾蓉暙I(xiàn)，m。

bli可以用文獻(xiàn)[4]的有關(guān)計(jì)算公式來計(jì)算：

其中，利用上述公式計(jì)算得到的土體分布寬度還應(yīng)滿足 bli≤2 d。式(2)、(3)中：d 為樁體的直徑；kf為樁形狀換算系數(shù)，對于圓形截面取kf=0.9；k為平行于水平力作用方向的樁間相互影響系數(shù)[4]。

根據(jù)PZ74和61號中間橋墩基礎(chǔ)的樁基平面布置圖，以及參考文獻(xiàn)[4]，可以得到：

（1）對于PZ74墩：

（2）對于61號墩：

在以上計(jì)算式中，各個(gè)標(biāo)識符的下標(biāo)x、y分別表示順橋向和橫橋向。

關(guān)于單樁豎向地基剛度的計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，可按下式計(jì)算：

式(8)中：ζ為系數(shù)，對于端承樁，ζ=1；對于摩擦樁（或摩擦支承管樁），打入或振動下沉?xí)r，ζ=2/3；鉆（挖）孔時(shí)，ζ=1/2；C0為樁端地基豎向抗力系數(shù)，C0=m0×h（當(dāng) h＜10 m 時(shí)，取 C0=10×m0）；其中：m0為樁端處的地基豎向抗力系數(shù)的比例系數(shù)；A為入土部分樁的平均截面積；A0按文獻(xiàn)[4]的公式計(jì)算。

根據(jù)以上公式計(jì)算得到的樁土彈簧剛度，把整個(gè)單樁作為一個(gè)子結(jié)構(gòu)，把單樁樁頂處的節(jié)點(diǎn)作為子結(jié)構(gòu)和主橋整體模型的邊界點(diǎn)，子結(jié)構(gòu)的剛度通過這邊界點(diǎn)施加在整體模型中，這個(gè)剛度以一個(gè)6×6的矩陣來表示，在具體的計(jì)算模型中可以用一般連接單元來實(shí)現(xiàn)。以PZ74墩的單樁取m=3 000 kN/m4為例，表1為采用剛度法得到的單樁基礎(chǔ)彈簧剛度矩陣。

表1 PZ74的單樁基礎(chǔ)彈簧剛度矩陣一覽表

表1中，單樁基礎(chǔ)彈簧剛度下標(biāo)及自由度方向（Link單元的局部坐標(biāo)系）U1、U2、U3分別表示軸向、豎向、橫向的平動自由度，而R1、R2、R3則分別表示軸向、豎向、橫向的轉(zhuǎn)動自由度；平動自由度所對應(yīng)的彈簧剛度單位為kN/m，轉(zhuǎn)動自由度所對應(yīng)的彈簧剛度單位為kN·m/Rad，而轉(zhuǎn)動和平動的耦合彈簧剛度單位為kN/Rad。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，m=3 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4的計(jì)算結(jié)果相差不大。由于文章篇幅所限，本文只列出m=3 000kN/m4時(shí)下部結(jié)構(gòu)的一些結(jié)論性數(shù)據(jù)和驗(yàn)算結(jié)果。

PZ74墩和61號墩的墩頂系梁在施工過程最不利荷載工況作用下均為偏心受拉作用，其計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 墩頂系梁計(jì)算結(jié)果一覽表

經(jīng)驗(yàn)算，系梁均為大偏心受拉構(gòu)件，PZ74墩系梁最小截面尺寸的跨中截面極限承載能力[Nd]=778 kN、[Nd·e]=-5 056 kN·m，計(jì)算裂縫寬度為0.06 mm；61號墩系梁最小截面尺寸的跨中截面極限承載能力 [Nd]=782 kN、[Nd·e]=-5 045 kN·m，裂縫寬度為0.06 mm；均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

由結(jié)構(gòu)分析得到，PZ74墩和61號墩的墩柱，在箱梁落架側(cè)均為偏心受壓構(gòu)件，而另一側(cè)在靠近墩頂部位均出現(xiàn)了拉力；經(jīng)比較，墩柱最不利截面均為未落架側(cè)的墩底截面，其計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)算如表3所列。

表3 墩柱的最不利內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果一覽表

由表3中的驗(yàn)算結(jié)果可以得到，PZ74墩和61號墩的墩柱在承受施工最不利荷載作用下，均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；只是61號墩的墩柱配筋比PZ74墩的強(qiáng)得多，所以設(shè)計(jì)承載能力比較富裕、裂縫寬度也較小。

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，PZ74墩和61號墩的樁基受力都很不均勻，PZ74墩的單樁未出現(xiàn)上拔力，而61號墩的單樁樁頂出現(xiàn)了負(fù)反力，但均能滿足承載力的要求。單樁的最不利內(nèi)力及計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表4 單樁的最不利內(nèi)力及計(jì)算結(jié)果一覽表

表4中，Nmax、Nmin分別表示單樁樁頂最大、最小軸力（kN），軸力以壓為正、拉為負(fù)；Mmax表示單樁樁身最大彎矩（kN·m）；裂縫w表示單樁樁身最大裂縫寬度；最大沉降表示按最大軸力作用下的單樁最大沉降計(jì)算值。

由表4中的計(jì)算結(jié)果可以得到：（1）單樁樁身的計(jì)算裂縫寬度相對較小，能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；（2）按單樁最大軸力計(jì)算得到的單樁最大沉降量較小，樁基在不平衡偏心彎矩作用下的不均勻沉降是可以控制的。

總之，PZ74墩和61號墩的橋墩及樁基在最不利施工荷載作用下的受力是安全的。

4 一些施工措施

由于寧波機(jī)場路高架在施工圖設(shè)計(jì)前期階段并沒有考慮橋梁分幅施工的工況，設(shè)計(jì)難免有不足之處。雖然經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算分析，分幅施工橋梁下部結(jié)構(gòu)在施工最不利荷載作用下的受力是安全的；但是，理論計(jì)算和實(shí)際施工存在一定的差別，特別是以V標(biāo)段61號墩為代表樁基的單樁樁徑較大、樁數(shù)較小，基礎(chǔ)抗偏心彎矩作用的慣性矩較小，單樁樁頂反力分布極不均勻，個(gè)別單樁出現(xiàn)了負(fù)反力，樁身可能出現(xiàn)的裂縫寬度相對較大，所以應(yīng)該在施工過程中采取一些有效的措施來保證施工的安全與質(zhì)量。

針對寧波機(jī)場路高架橋梁的分幅施工，由業(yè)主、設(shè)計(jì)院、監(jiān)理單位、施工方及有關(guān)專家等組成一個(gè)橋梁分幅施工的技術(shù)小組，制訂關(guān)于橋梁分幅施工、測量、監(jiān)控、緊急預(yù)案及措施的技術(shù)方案，一些主要關(guān)鍵點(diǎn)如下所述：

（1）在分幅施工橋梁的中墩承臺頂四周單樁中心點(diǎn)處布置沉降測點(diǎn)，在兩側(cè)墩柱頂支座中心邊線處布置變位測點(diǎn)。

（2）對于類似V標(biāo)段61號墩的樁基，在單樁樁頂可能出現(xiàn)負(fù)反力的位置盡量埋設(shè)混凝土或鋼筋應(yīng)變計(jì)，量測單樁的應(yīng)力值作為控制輔助要素。

（3）在一幅箱梁落架后，加強(qiáng)觀察承臺的沉降量與墩頂?shù)钠涣?，注意沉降速率與不均勻沉降量，如果速率接近規(guī)范臨界點(diǎn)或者不均勻沉降量或墩頂偏位量接近事先達(dá)成的限值，則測量及監(jiān)控人員上報(bào)技術(shù)小組，由技術(shù)小組下指令采取應(yīng)急措施。

（4）在另一幅箱梁落架后，也要加強(qiáng)觀察承臺的沉降量與墩頂?shù)钠涣浚⒁獬信_不均勻沉降，以及墩頂偏位的變化情況，在施工驗(yàn)收時(shí)把相對穩(wěn)定的承臺沉降量及墩頂變位量的記錄值移交給養(yǎng)護(hù)運(yùn)營單位，作為之后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控的初始依據(jù)。

5 結(jié)語

由以上PZ74墩和61號墩的計(jì)算分析及驗(yàn)算結(jié)果可以得到：寧波機(jī)場路高架分幅施工時(shí)橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩和樁基的受力是滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)是安全的。

其次，在實(shí)際施工中所采取的一些有效施工措施，來預(yù)防及保證分幅施工橋梁在施工過程的安全與質(zhì)量，并且被證實(shí)是非常有效的。

寧波市機(jī)場路高架已于2011年建成并通車，其橋梁分幅施工的分析及經(jīng)驗(yàn)值得其它類似工程所借鑒的。

[1]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院.寧波市機(jī)場路高架施工II標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)文件[R]，2009.

[2]天津市政工程設(shè)計(jì)研究院.寧波市機(jī)場路高架施工V標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)文件[R]，2009.

[3]JGJ94-94，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].