林 云，商從晉

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋由于墩梁固結(jié)，上部結(jié)構(gòu)的地震力傳遞給下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，比起同跨徑、同墩高的連續(xù)梁來說受力更不利。但是連續(xù)剛構(gòu)橋節(jié)省了大噸位支座，施工和后期維護(hù)相較連續(xù)梁來說更簡(jiǎn)單。本文以廣東潮汕地區(qū)某主跨68m、平均墩高13．5m的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，分析其在高地震烈度下的抗震性能，并提出了?yīng)對(duì)樁基受拉的解決方案。

1 工程概況

廣東潮汕地區(qū)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為（37．5＋68＋68＋37．5）m。橋?qū)?2．5m，根部梁高4．2m，跨中梁高2m，截面高度及底板厚度均按2次拋物線變化。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 主橋橋型布置圖（m）

橋梁14?！?6＃主墩采用矩形空心圓端型截面，順橋向2m，橫橋向直線段6．2m，圓端半徑2m，壁厚0．6m。承臺(tái)順橋向7．5m，橫橋向11m，厚3m?；A(chǔ)采用四根直徑1．8m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，順橋向間距4．5m，橫橋向間距6m。下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)平面示意圖（m）

2 動(dòng)力模型及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

橋梁動(dòng)力模型和動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問題的基礎(chǔ)，為了計(jì)算在地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，必須首先計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

采用空間結(jié)構(gòu)的有限單元方法建立了計(jì)算模型，利用空間梁?jiǎn)卧M上構(gòu)、墩柱、承臺(tái)以及樁基等結(jié)構(gòu)的特性。為了考慮樁土的共同作用，各墩樁基均以土彈簧模擬，土彈簧的剛度采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)來計(jì)算（如圖3所示）。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算有限元模型圖

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行抗震分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)上述建立的有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型，對(duì)該橋的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。運(yùn)用Ritz向量法求出與三個(gè)平動(dòng)地震動(dòng)輸入直接相關(guān)的前90階振型，X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)振型參與質(zhì)量分別是99．99%、99．99%、99．91%，滿足振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%以上的要求（如表1所示）。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表

3 E2地震作用下橋梁樁基地震反應(yīng)

為了判斷E2地震作用下結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入塑性階段，先假設(shè)E2作用下橋墩和樁基都處于彈性狀態(tài)，計(jì)算其在E2作用下的內(nèi)力值，如果該內(nèi)力值超過了結(jié)構(gòu)相應(yīng)的屈服內(nèi)力值，則可以判斷該結(jié)構(gòu)已進(jìn)入塑性階段，應(yīng)該進(jìn)行剛度折減。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTJ／T B02－01－2008）（以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》）第6．8．5條，“梁橋基礎(chǔ)內(nèi)力設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)墩柱底部可能出現(xiàn)塑性鉸處的彎矩承載力、剪力設(shè)計(jì)值和墩柱最不利軸力來計(jì)算”。根據(jù)計(jì)算，主墩在E2順橋向地震作用下已進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，因此該橋主墩順橋向樁基礎(chǔ)內(nèi)力設(shè)計(jì)值可根據(jù)《細(xì)則》第6．8．5條進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2～4。軸力正值為拉力，負(fù)值為壓力。

表2 主墩塑性鉸區(qū)域屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)力表

表3 樁基內(nèi)力表（E2順橋向地震組合1）

表4 樁基內(nèi)力表（E2順橋向地震組合2）

由計(jì)算分析可得，主墩在E2橫橋向地震作用下處于彈性狀態(tài)，因此該橋主墩橫橋向樁基礎(chǔ)內(nèi)力設(shè)計(jì)值可取E2地震作用下的地震響應(yīng)值，結(jié)果見表5～6。

表5 樁基內(nèi)力表（E2橫橋向地震組合1）

表6 樁基內(nèi)力表（E2橫橋向地震組合2）

4 鋼管復(fù)合樁設(shè)計(jì)

由表5可知，在E2橫橋向地震作用組合1下，樁基承受拉、剪、彎共同作用，最大拉力出現(xiàn)在15＃主墩墩頂位置，為17 208kN；14＃、16＃主墩墩頂拉力也達(dá)12 661kN。經(jīng)過驗(yàn)算，僅通過加強(qiáng)樁基礎(chǔ)配筋并不能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

為了滿足樁基拉彎剪作用下強(qiáng)度的要求，本橋擬采用鋼管復(fù)合樁設(shè)計(jì)。大直徑鋼管復(fù)合樁由于具有承載力高、延性好、可靠性高、便于施工、風(fēng)險(xiǎn)可控、費(fèi)用相對(duì)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，特別是在承受荷載時(shí)，“鋼管＋核心混凝土”樁以復(fù)合體形式表現(xiàn)出良好的共同工作性能。

鋼管復(fù)合樁是一種由鋼管和鋼筋混凝土組成的組合結(jié)構(gòu)。鋼管復(fù)合樁的施工方法是先打設(shè)鋼管至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后清空管內(nèi)土體，向下鉆孔至設(shè)計(jì)樁底，最后下放鋼筋籠并澆筑樁身混凝土。

本橋鋼管復(fù)合樁由兩部分組成：承臺(tái)端有鋼管段、樁底端無鋼管段。復(fù)合樁鋼管內(nèi)徑2 050mm，鋼管壁厚分兩類：上部16m范圍壁厚為25mm，下部2m范圍壁厚為36mm。在壁厚25mm區(qū)段鋼管內(nèi)壁設(shè)置8道剪力環(huán)（如圖4所示）。

圖4 鋼管復(fù)合樁構(gòu)造圖（mm）

樁身配置普通鋼筋，豎向主筋為D32mm的HRB400鋼筋，箍筋采用D12mm的HRB400鋼筋。

鋼管復(fù)合樁截面可以看作一個(gè)均勻配置兩圈縱向鋼筋的圓形截面（鋼管和鋼筋混凝土）。這里兩圈“普通鋼筋”的配置半徑差異較大，在極限狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變、屈服、拉斷（最大限制拉應(yīng)變0．01）行為不同，兩者尚有不同的屈服應(yīng)力和彈性模量。為便于計(jì)算，忽略混凝土在正截面的受力，僅考慮鋼筋和鋼管參與受力，但混凝土起到了維持平截面假定成立的作用。

采用XTRACT程序建立鋼管復(fù)合樁截面的纖維模型，計(jì)算彎矩－曲率曲線，纖維截面劃分如圖5所示。計(jì)算時(shí)，不考慮鋼管內(nèi)混凝土的作用（拉彎構(gòu)件），計(jì)算結(jié)果見表7～8。

鋼管復(fù)合樁截面纖維模型圖

表7為以鋼管極限應(yīng)變?yōu)榭刂茥l件獲得的截面等效屈服彎矩；表8為以管內(nèi)混凝土極限應(yīng)變?yōu)榭刂茥l件獲得的截面等效屈服彎矩。

表7 樁身截面等效屈服彎矩表（鋼管極限應(yīng)變）

表8 樁身截面等效屈服彎矩表（管內(nèi)混凝土極限應(yīng)變）

由計(jì)算結(jié)果可知，在兩種控制條件下，軸力對(duì)應(yīng)等效屈服彎矩均大于地震響應(yīng)下的彎矩，說明采用鋼管復(fù)合樁設(shè)計(jì)滿足E2橫向地震下樁基承載能力要求。

5 樁基抗拔設(shè)計(jì)

樁身軸拉力在地震作用下出現(xiàn)，其起因是作用于承臺(tái)的彎矩轉(zhuǎn)換成雙排樁的力偶，產(chǎn)生的軸拉力大于恒載作用下樁基受到的軸壓力。因此，樁身軸拉力起于樁頂，沿樁身向下，樁身自重和樁周巖土的摩阻力逐步與來自樁頂?shù)妮S拉力平衡，由于樁端巖層的摩阻力最大，遠(yuǎn)大于淺表層土體，因此樁身在較長(zhǎng)的區(qū)段內(nèi)軸拉力都較大，在樁底附近才有明顯減小直至拉力全部傳遞給地基。

樁基抗拔承載力主要與樁側(cè)摩阻力有關(guān)。由于本橋淺表層土體提供側(cè)阻力有限，因此為了滿足樁基抗拔要求需設(shè)置較長(zhǎng)的樁長(zhǎng)，使樁基更多嵌入側(cè)阻力大的巖層以抵消上拔力，這就導(dǎo)致樁基入巖過深，施工困難。

為了滿足抗拔要求，除了增加樁長(zhǎng)以外，另一個(gè)思路是增大巖層的側(cè)阻力。灌注樁后注漿工藝就是從這個(gè)角度出發(fā)的解決方案。

后注漿工藝在樁身預(yù)設(shè)壓漿管和注漿閥，完成灌注樁混凝土澆筑后，通過壓漿管進(jìn)行壓漿，起到固結(jié)樁周圍泥皮和巖土的作用，提高樁基端阻和側(cè)阻力。

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94－2008）提供了采用后注漿工藝時(shí)，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式：

抗拔單樁驗(yàn)算公式：

其中單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

以15＃墩為例，注漿范圍為樁底至強(qiáng)風(fēng)化巖層，后注漿摩阻力增強(qiáng)系數(shù)見表9：

表9 后注漿對(duì)應(yīng)巖層增強(qiáng)系數(shù)表

采用后注漿工藝與不采用后注漿工藝樁長(zhǎng)對(duì)比表見表10：

表10 樁長(zhǎng)對(duì)比表

從表10可以看到，15＃墩采用后注漿工藝后，樁長(zhǎng)減少7．3m，比不注漿減少13%；16＃墩樁長(zhǎng)減少6．2m，比不注漿減少19%。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)一座（37．5＋68＋68＋37．5）m連續(xù)剛構(gòu)橋在E2地震作用下的抗震計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其主墩樁基礎(chǔ)在橫向地震作用下出現(xiàn)很大軸拉力，通過采用鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)和后注漿工藝解決了樁基正截面承載能力和抗拔承載能力問題，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)僅通過加強(qiáng)鋼筋混凝土截面配筋不能滿足樁基抗拉彎要求時(shí)，可采用鋼管復(fù)合樁截面。通過本橋驗(yàn)算表明，鋼管復(fù)合樁截面抗拉彎作用是有效的。

（2）后注漿工藝能增大樁基與巖層的側(cè)阻力，提高樁基的抗拔承載能力，是減少抗拔樁樁長(zhǎng)的一種有效方式。通過本橋驗(yàn)證，采用后注漿工藝有效減少了13%～19%的樁長(zhǎng)。