復(fù)雜地質(zhì)條件下斜腿剛構(gòu)的設(shè)計(jì)

蔣蓉蓉，劉瑞萍

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

斜腿剛構(gòu)因其造型美觀、結(jié)構(gòu)受力合理、使用材料經(jīng)濟(jì)，目前正越來越多的應(yīng)用于工程實(shí)踐中。但由于斜腿剛構(gòu)是多次超靜定結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度及基礎(chǔ)變位較為敏感；同時(shí)，斜腿剛構(gòu)的受力特性與拱橋有相似之處，會(huì)對(duì)橋墩（臺(tái)）產(chǎn)生較大的水平推力。這些不利的因素限制了斜腿剛構(gòu)的應(yīng)用范圍。目前斜腿剛構(gòu)大多應(yīng)用于地基條件較好地區(qū)，以及上部荷載較小、跨徑不大的人行景觀橋梁。

本文結(jié)合桂林市臨桂新區(qū)新龍路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹該斜腿剛構(gòu)橋在多種工況下結(jié)構(gòu)的受力特性；評(píng)估復(fù)雜地質(zhì)條件下基礎(chǔ)變位對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；選用合理的下部結(jié)構(gòu)形式，使基礎(chǔ)變位控制在斜腿剛構(gòu)能承受的范圍內(nèi)。

2 工程概況

新龍路橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜腿剛構(gòu)，斜腿剛構(gòu)跨徑41.282 m，斜腿的豎向傾角為40°，主梁總長(zhǎng)為56 m，斜腿與主梁交點(diǎn)位置L邊/L中＝0.50。橋梁總寬47 m，分三幅設(shè)置，沉降縫設(shè)置在機(jī)非分隔帶中間，機(jī)動(dòng)車道部分橋?qū)?5 m，每側(cè)人非部分橋?qū)?1 m，單側(cè)設(shè)置挑臂，挑臂長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)梁高1.2 m，邊支點(diǎn)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(jié)構(gòu)推薦采用鋼筋混凝土肋板式橋臺(tái)。肋板式橋臺(tái)的采用可以大大降低混凝土用量，節(jié)約工程造價(jià)。樁基礎(chǔ)可采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)或人工挖孔樁。

橋梁兩側(cè)的塔與拉索為裝飾結(jié)構(gòu)，拉索的張拉應(yīng)力僅用來保證拉索線形，故其張拉力較小，對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響不大。

3 斜腿剛構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特性分析

采用《橋梁博士3.2》計(jì)算軟件對(duì)新龍路橋作結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，獲得該斜腿剛構(gòu)在自重、汽車、溫度、基礎(chǔ)變位等作用下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力及對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的反力數(shù)據(jù)，分析上述各種作用對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)安全和使用性能的影響。

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

本次僅計(jì)算兩條沉降縫中間25 m寬的機(jī)動(dòng)車道部分。考慮到結(jié)構(gòu)自重對(duì)斜腿底部產(chǎn)生較大的彎矩，故在斜腿剛構(gòu)主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，斜腿與基礎(chǔ)采用鉸接連接，待上部結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后將斜腿與基礎(chǔ)固結(jié)，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(jí)，6車道，車道折減系數(shù)0.55，橫向偏載系數(shù)1.25；

沖擊系數(shù)：參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.2條計(jì)算。

（3）溫度梯度

箱梁日照溫差按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.3.10條的豎向溫度梯度進(jìn)行計(jì)算。

體系升溫：30℃ ，體系降溫：30℃。

（4）基礎(chǔ)變位

暫按兩個(gè)基礎(chǔ)各向外位移1 cm計(jì)。

3.2 結(jié)構(gòu)建模及計(jì)算

有限元模型見圖3、圖4，全橋共分為70個(gè)單元。

圖3 有限元模型

圖4 中跨梁?jiǎn)卧獢嗝?/p>

3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

（1）中跨跨中截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，見表1。

（2）中跨近斜腿根部截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，見表2。

（3）斜腿底部截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，見表3。

3.2.2 斜腿剛構(gòu)結(jié)構(gòu)安全計(jì)算驗(yàn)算

新龍路橋斜腿剛構(gòu)采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)斜腿剛構(gòu)的受力特性，其中跨和斜腿截面內(nèi)存有較大的軸力，應(yīng)按偏心受壓構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算和正常使用階段裂縫寬度計(jì)算。斜腿剛構(gòu)腹板內(nèi)配置Φ32的骨架鋼筋，其余部分根據(jù)彎矩大小配置1～2排Φ28的鋼筋，計(jì)算結(jié)果如下：

（1）承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算，見表4。

（2）正常使用階段裂縫寬度計(jì)算，見表5。

表1 中跨跨中截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表2 中跨近斜腿根部截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表3 斜腿底部截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表5 正常使用階段裂縫驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，斜腿剛構(gòu)承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算和正常使用階段裂縫寬度計(jì)算均滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2.3 基礎(chǔ)對(duì)斜腿底部支承反力計(jì)算結(jié)果（見表6）

表6 結(jié)構(gòu)反力計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)新龍路橋上部結(jié)構(gòu)在各種作用下內(nèi)力及對(duì)基礎(chǔ)的反力的數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）斜腿剛構(gòu)為有推力結(jié)構(gòu)。在自重作用下上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)所產(chǎn)生的水平力數(shù)值較大，甚至?xí)壬喜拷Y(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的豎向力更大。

（2）由于結(jié)構(gòu)本身自重較大，結(jié)構(gòu)整體性較好，故汽車荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力所占比重較小。

（3）斜腿剛構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，故結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)溫度變化較為敏感，溫度作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力所占比重較大。

（4）由基礎(chǔ)變位，特別是水平向的基礎(chǔ)變位對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很大，且斜腿剛構(gòu)本身會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)安全。

4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)新龍路橋斜腿剛構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)需要采用抵抗水平力較好，位移較小的結(jié)構(gòu)。若是將斜腿剛構(gòu)基礎(chǔ)直接嵌固于基巖之中將是一個(gè)最優(yōu)的選擇。但是根據(jù)勘察報(bào)告，擬建工程場(chǎng)地存在不良地質(zhì)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：

（1）場(chǎng)地中大部分地段分布有軟～流塑粉質(zhì)粘土③-3，呈軟～流塑狀態(tài)，埋深1.70～6.50 m，厚0.40～1.80 m，強(qiáng)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(yīng)標(biāo)高149.94 m），洞高 1.20 m。

（2）鉆探深度內(nèi)揭示有溶洞，遇洞隙率62.5%，線巖溶率16.1%，場(chǎng)地淺層巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

另外，場(chǎng)地內(nèi)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(fā)育有軟弱土，各巖土層工程特性均有較大差異，因此，場(chǎng)地內(nèi)地基土屬于不均勻地基。

所以，無法直接將斜腿剛構(gòu)基礎(chǔ)嵌固于基巖內(nèi)，需要考慮采用其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。

4.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式比選

斜腿剛構(gòu)與拱橋的一些受力特性相似，都屬于有推力結(jié)構(gòu)，故斜腿剛構(gòu)的基礎(chǔ)型式也可以借鑒拱橋的基礎(chǔ)型式，可以采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、整體防滑板基礎(chǔ)、豎向群樁基礎(chǔ)、斜樁基礎(chǔ)。以下是結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)際，對(duì)上述基礎(chǔ)型式進(jìn)行綜合比選，見表 7。

表7 基礎(chǔ)型式比選

由于新龍路橋橋位處場(chǎng)地基巖埋置深度在10～15 m且上覆軟土，故擴(kuò)大基礎(chǔ)無法滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)因?yàn)楣こ虉?chǎng)地圖層分布不均且有溶洞存在，若采用防滑板基礎(chǔ)可能導(dǎo)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(dāng)?shù)貙?duì)斜樁基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)不足，不容易控制施工質(zhì)量。故而推薦采用豎向群樁基礎(chǔ)。由于樁長(zhǎng)并不長(zhǎng)，采用群樁基礎(chǔ)時(shí)樁基的造價(jià)占全橋整體造價(jià)比重較小，橋梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)控制較好。

4.2 群樁基礎(chǔ)計(jì)算

新龍路橋下部結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)的計(jì)算主要針對(duì)兩個(gè)方面：（1）群樁基礎(chǔ)位移量的控制；（2）群樁基礎(chǔ)對(duì)水平力的承載能力。

4.2.1 群樁基礎(chǔ)用樁量估算及位移控制

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008規(guī)定，對(duì)于樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果取地面處水平位移為6 mm（對(duì)水平位移敏感的建筑）所對(duì)應(yīng)的荷載的75%為單樁水平承載力特征值。當(dāng)缺少靜載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按下列公式估算：

本次設(shè)計(jì)樁基擬采用Φ1 500 mm鉆孔灌注樁，根據(jù)地勘報(bào)告中橋位處典型的土層及巖層分布情況，計(jì)算得單樁水平承載力特征值Rha=683 kN。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，兩沉降縫之間25 m寬的橋梁結(jié)構(gòu)斜腿對(duì)承臺(tái)的最大水平推力（標(biāo)準(zhǔn)組合）約為22 000 kN，單側(cè)橋臺(tái)需要的樁數(shù)為 22 000/683=32.2。故暫定單側(cè)橋臺(tái)使用33根Φ1 500 mm鉆孔樁（25 m橋?qū)挿秶鷥?nèi)）。

為了確定斜腿剛構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)共同作用下基礎(chǔ)的實(shí)際位移情況，筆者采用Midas Civil有限元分析軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，見圖5、圖6。

圖5 Midas三維計(jì)算模型

圖6 自重作用下水平位移示意圖

根據(jù)Midas模型計(jì)算結(jié)果，該斜腿剛構(gòu)在自重、汽車、溫度等作用下，其下部結(jié)構(gòu)承臺(tái)的水平位移見表8。

表8 基礎(chǔ)水平位移量計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)Midas計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可以證明25 m橋?qū)挿秶鷥?nèi)，單側(cè)橋臺(tái)使用33根Φ1 500 mm鉆孔樁，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的最大變位控制在6 mm左右，滿足基礎(chǔ)的剛度要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)水平變位影響最大的因素是結(jié)構(gòu)自重，因此可以認(rèn)為，基礎(chǔ)水平變位絕大部分是在施工階段斜腿剛構(gòu)脫模落架的過程中完成的，而橋梁運(yùn)營(yíng)階段所產(chǎn)生的基礎(chǔ)水平變位較小。

4.2.2 樁基承載能力驗(yàn)算

對(duì)于群樁基礎(chǔ)，若地基土層、巖層分布均勻，各樁樁長(zhǎng)一致，則各樁平均分配上部結(jié)構(gòu)夠傳遞給基礎(chǔ)的水平力；若地基土層、巖層分布不均，各樁樁長(zhǎng)不一，則各樁樁頂抗推剛度不同，導(dǎo)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(jù)新龍路橋勘察資料，該橋位處基巖起伏較大，分布不均，且?guī)r溶發(fā)育。因此各樁采用不同的樁長(zhǎng)來保證每一根樁都進(jìn)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(chǔ)版計(jì)算軟件，建立新龍路橋25 m橋?qū)挿秶鷥?nèi)基礎(chǔ)模型，各樁根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況采用不同的樁長(zhǎng)和不同的不同的地層分布進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，本文僅列出簡(jiǎn)要的計(jì)算結(jié)果。

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

圖7 樁長(zhǎng)布置示意圖

圖8 樁位布置示意圖

表9 單樁截面承載力最不利驗(yàn)算結(jié)果

表10 單樁截面裂縫最不利驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單樁截面承載力和裂縫滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

（1）斜腿剛構(gòu)既可以提供較大的橋下凈空；且其結(jié)構(gòu)本身具有比較美觀的造型，整體景觀效果較好。故在中等跨徑單跨橋梁中，斜腿剛構(gòu)不失為一種較優(yōu)的選擇。

（2）斜腿主要承受軸力，中跨部分屬于偏壓構(gòu)件，邊跨部分屬于受彎構(gòu)件，需要對(duì)強(qiáng)度、裂縫寬度等進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）斜腿剛構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度較大，且為多次超靜定結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度及基礎(chǔ)變位比較敏感，且對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的水平力。若是橋位處地質(zhì)情況較為復(fù)雜，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，保證基礎(chǔ)的剛度和承載能力，確保結(jié)構(gòu)安全。

[1]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院.橋梁設(shè)計(jì)工程師手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]楊軍猛,郭俊峰.斜腿剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].交通科技,2011(2):5-6.

[3]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]馬瑞奇,高金萍.斜腿剛構(gòu)橋使用MIDAS建立計(jì)算模型的探討[J].北方交通,2012(6):160-163.