一種新型橋臺設(shè)計

官潤榮

（廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，城市路網(wǎng)及地鐵交通網(wǎng)越發(fā)密集，因此，新建橋梁與既有或規(guī)劃地鐵隧道存在沖突的情況也越來越多，特別是在市中心路網(wǎng)與地鐵線路密集的交通樞紐地帶，這種沖突顯得愈加激烈［1］。對于樁基與地鐵結(jié)構(gòu)之間的相互影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。陳子全等人［2］研究了樁基托換過程中的受力轉(zhuǎn)化機理和盾構(gòu)隧道掘進對橋梁粧基結(jié)構(gòu)的影響；徐前衛(wèi)等人［3］提出了擴大板式基礎(chǔ)托換以及盾構(gòu)直接切樁的施工技術(shù)。鄧濤等人［4］針對橋梁上部結(jié)構(gòu)-樁身-土體三者共同組成的復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)，分析了在不同頂升荷載作用下復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移響應(yīng)特性；王莉萍［5］對大跨度梁式托換工程的設(shè)計及其優(yōu)化進行了探討；王建偉［6］針對地鐵下穿高架橋梁情況，提出了4 種加固保護技術(shù)，并得出鋼管隔離樁加固＜洞內(nèi)注漿加固＜袖閥管注漿加固＜綜合加固的加固效果排序；高福華［7］結(jié)合工程周邊環(huán)境及施工條件，提出了適合盾構(gòu)施工的參數(shù)及控制指標(biāo)、橋梁基礎(chǔ)差異沉降控制指標(biāo)和穿越施工時的針對性保護措施。

以上研究的工作重點主要集中在工程具體方案確定后開展的研究，如橋梁樁基與地鐵結(jié)構(gòu)沖突時通過采用騎馬樁、樁基托換等方式處理后，再在此基礎(chǔ)上開展橋梁樁基與地鐵結(jié)構(gòu)在施工期間及后期運營期間的相互影響關(guān)系及采用有效工程加固、保護技術(shù)等方面的研究。但對于工程中樁基與地鐵之間如何避開影響的研究比較少。本文旨在通過分析橋臺的基本受力機理，設(shè)計了一種新型橋臺結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值分析模擬計算，驗證該結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理、安全可靠，較好地解決了實際工程中橋臺樁基與地鐵結(jié)構(gòu)空間相沖突的難題。另外，根據(jù)本文新型橋臺設(shè)計理念的延伸與拓展，提出了其它兩種橋臺形式，為今后類似的項目提供實用性參考。

1 項目概況

某項目位于廣州市黃埔區(qū)，道路長582 m，紅線寬40 m，雙向6車道，設(shè)計速度為50 km/h，道路等級為城市主干路。橋位地處建成區(qū)，周邊建筑物主要為小區(qū)、村莊居民自建房屋，局部有荒地、魚塘、河涌等。道路在里程K0+305.000位置跨越烏涌，烏涌段正下方為已建成通車的廣州地鐵13 號線?？鐬跤繕蛄簲M采用一跨過涌方式。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1×41 m簡支鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，梁高2.0 m，全橋橫斷面寬40 m，橫向共布置8片梁體。地理位置如圖1所示，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖1 某跨涌大橋地理位置Fig.1 Over River Bridge Geographical Position

圖2 某跨涌大橋橫斷面Fig.2 Over River Bridge Cross Section （mm）

2 橋臺方案

2.1 項目主要控制因素

根據(jù)本項目建設(shè)資料，項目在烏涌處的橋位路線基本與既有地鐵13 號線并行，地鐵13 號線為分離式雙洞結(jié)構(gòu)形式，兩洞凈距6.55 m，單洞結(jié)構(gòu)外徑6.0 m。橋位處烏涌河床底高程為2.0 m，河堤路標(biāo)高10.0 m。橋梁與烏涌及地鐵的關(guān)系如圖3所示。

圖3 某跨涌大橋與烏涌、地鐵空間關(guān)系立面及橫斷面Fig.3 The Elevation and Cross Section Relationship between the Bridge，Wu River and the Subway （mm）

由于本項目橋梁涉及河涌及地鐵，相關(guān)職能管理部門對項目提出了一些技術(shù)要求：①根據(jù)區(qū)水利部門的意見，橋梁承臺必須埋置河床底以下不小于0.5 m，橋梁與河堤路需要采用平交方式；②由于涉及正在營運的地鐵13 號線，根據(jù)廣州市地保辦的意見，要求橋梁結(jié)構(gòu)距離地鐵結(jié)構(gòu)外壁不小于6 m 凈空，地鐵結(jié)構(gòu)上方不允許采用有振動的施工方式施工。

2.2 項目難點

根據(jù)以上要求，本項目中橋臺承臺需要埋深低于河床底以下0.5 m，承臺頂高程確定為1.5 m。河堤路面高程為10.0 m，因此本橋臺后填土高度達到為8.5 m。由于地鐵的凈空需求，在橋橫向橋下至少需預(yù)留30.55 m 的凈空。如此大的凈空要求，工程上常規(guī)的處理方式一般采用騎跨式樁基+地梁進行避讓，絕大多數(shù)橋墩樁基與地鐵結(jié)構(gòu)沖突問題采用此方法都能得到很好的處理，但對于橋臺樁基，由于橋臺后高達8.5 m 的土壓力差，加之地鐵大凈空的需求因素，采用常規(guī)橋臺設(shè)計顯然無法滿足受力要求。

2.3 新型橋臺設(shè)計

2.3.1 設(shè)計思路

本項目影響橋臺設(shè)計的主要因素有2 個：①橋臺后填土較高，臺后土壓力很大，導(dǎo)致橋臺沿橋縱向受到的水平力較大，因此需要配置多排樁基予以抵抗；②由于橋臺樁基需要避讓地鐵，橋臺樁基只能布置于地鐵凈空范圍以外，橋臺樁基在橫向布置空間受限。眾所周知，樁基承受豎向荷載的能力較強，但承受水平荷載的能力較弱，由于地鐵凈空需求較大，橋臺樁基沿橋橫橋向布置的數(shù)量及方式無法滿足樁基在橋縱向水平受力的要求?；谝陨戏治?，橋臺設(shè)計的重點為如何消除或降低臺后高填土對橋臺樁基產(chǎn)生的不利水平向荷載。

2.3.2 橋臺設(shè)計

輕質(zhì)混凝土具有重量輕、強度高，澆筑硬化后具有自穩(wěn)性等特點［8-9］，將臺后采用的常規(guī)回填砂或石屑材料改為澆筑輕質(zhì)混凝土材料是一種高效途徑。首先，由于輕質(zhì)混凝土容重較小，重量約為普通混凝土的一半，硬化后對地基承載力要求不高［10］；其次，由于輕質(zhì)混凝土具有自穩(wěn)特性，硬化后不會對橋臺產(chǎn)生水平向荷載。因此，橋臺樁基受力也由受水平荷載控制為主轉(zhuǎn)為受豎向荷載控制為主，這也符合樁基豎向承載力強于水平承載力的受力特性，有效地解決了橋臺臺后由于填土較高產(chǎn)生巨大水平荷載而導(dǎo)致橋臺樁基無法合理設(shè)計的難題。

本工程中采用的新型橋臺設(shè)計參數(shù)為：橋臺樁基采用8 根直徑為1.8 m 的灌注樁，類型為嵌巖樁，長度25 m，樁中心間距3.6 m；承臺厚度為3.0 m，長、寬尺寸均為6.6 m；臺身立柱高4.07 m，截面為2.2 m×1.5 m；臺身采用變截面矩形梁，長度40 m，跨中梁高1.5 m，支點梁高3.0 m，厚度2.2 m。新型橋臺設(shè)計如圖4所示。

圖4 新型橋臺側(cè)視及1/2立面Fig.4 New Bridge Abutment Side View and 1/2 Elevation View （mm）

2.3.3 新型橋臺的施工方法

與常規(guī)橋梁不同，本新型橋臺的施工流程需要進行局部調(diào)整。常規(guī)橋臺一般先施工完橋臺結(jié)構(gòu)后再進行臺后填土的施工，本橋臺由于要消除臺后填土的土壓力，需要在臺身施工前進行臺后輕質(zhì)混凝土澆筑，待輕質(zhì)混凝土達到強度后再行施工臺身立柱及變截面臺身結(jié)構(gòu)。

新型橋臺整體施工順序如下：樁基施工?承臺施工?臺后立模澆筑輕質(zhì)混凝土?澆筑臺身立柱?臺身變截面梁體澆筑?其它構(gòu)件施工。

3 新型橋臺有限元計算

3.1 計算模型

采用橋梁專用有限元計算軟件Midas Civil 建立全橋整體桿系有限元模型，共劃分64 個單元、75 個節(jié)點。計算模型如圖5所示。

圖5 新型橋臺有限元模型Fig.5 New Bridge Abutment Finite Element Model

模型主要參數(shù)及邊界條件如下：

⑴材料：樁基采用C30 混凝土；承臺、臺身立柱及變截面臺身采用C35混凝土；

⑵荷載：結(jié)構(gòu)自重，由程序自動計算。支座上部傳來荷載包括上部梁體自重、橋面鋪裝、防撞護、人行道結(jié)構(gòu)、欄桿等荷載；活載包含人群荷載及汽車荷載，汽車荷載按雙向6車道計算，考慮沖擊系數(shù)；溫度荷載考慮整體升降溫20 ℃；支座不均勻沉降按10 mm計算。

⑶邊界條件：樁側(cè)與土體之間用土彈簧模擬，樁底為固結(jié)；承臺與樁基考慮剛性連接。樁基邊界如圖6所示。

圖6 樁基邊界模擬Fig.6 Pile Foundation Boundary Simulation

3.2 計算結(jié)果

樁頂水平位移計算結(jié)果如圖7 所示，樁底豎向反力如圖8所示。驗算結(jié)果如表1所示。

圖7 樁頂水平位移計算結(jié)果Fig.7 Results of Horizontal Displacement Calculation of Pile Top

圖8 樁底豎向反力結(jié)果Fig.8 Results of the Vertical Reverse Force at the Pile Bottom

表1 新型橋臺計算結(jié)果Tab.1 Calculation Results of the New-type Bridge Abutment

根據(jù)表1計算結(jié)果，新型橋臺結(jié)構(gòu)滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范：JTG 3362—2018》［11］及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：JTG 3363—2019》［12］各項指標(biāo)要求，表明該新型橋臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，受力性能良好。

4 其它類型橋臺設(shè)計

本新型橋臺的設(shè)計原理是通過對臺后回填材料采取一定改變，將臺后高填土產(chǎn)生的水平荷載進行消除或是減少，使橋臺樁基受力由受水平荷載控制為主轉(zhuǎn)為受豎向荷載控制為主，這樣也使橋臺樁基在空間布置上更加靈活，更能適應(yīng)地鐵下穿大凈空的需求。根據(jù)這一思路，橋臺臺身結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計成拱式、桁架式；臺后填土除采用自穩(wěn)性輕質(zhì)混凝土外，還可采用其他擋土墻結(jié)構(gòu)以達到消除或平衡土體水平荷載目的。

本文列舉了其它兩種類型設(shè)計圖大樣，橋臺類型Ⅰ：臺后回填輕質(zhì)混凝土+拱形臺身結(jié)構(gòu)，如圖9 所示；橋臺類型Ⅱ：臺后擋土墻結(jié)構(gòu)+拱形臺身結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖9 橋臺類型Ⅰ側(cè)視及1/2立面Fig.9 Abutment Type ⅠSide View and 1/2 Elevation View

圖10 橋臺類型Ⅱ側(cè)視及1/2立面Fig.10 Abutment Type ⅡSide View and 1/2 Elevation View

當(dāng)然，根據(jù)以上設(shè)計原理還能設(shè)計出其它各種類型的橋臺結(jié)構(gòu)，本文不一一列舉。

5 結(jié)語

⑴本文通過分析橋臺的基本受力機理，設(shè)計了一種新型橋臺結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值分析計算，驗證該結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理、安全可靠，較好地解決了實際工程中橋臺樁基與地鐵結(jié)構(gòu)空間相沖突的難題。本新型橋臺結(jié)構(gòu)在初步設(shè)計評審中獲得專家的高度認(rèn)可。

⑵本文中新型橋臺的設(shè)計思路是通過采取合理措施將常規(guī)橋臺臺后高填土產(chǎn)生的水平荷載進行消除或是減少，使橋臺樁基受力由受水平荷載控制為主轉(zhuǎn)為受豎向荷載控制為主，是對常規(guī)橋臺的一次升級和優(yōu)化，具有較強的創(chuàng)新意義。

⑶本文中新型橋臺的施工流程與常規(guī)橋臺有所不同，工程應(yīng)用中應(yīng)予以注意。

⑷通過對新型橋臺設(shè)計理念的延伸及拓展，本文又提出了其它兩種新型橋臺結(jié)構(gòu)形式，這些新型橋臺結(jié)構(gòu)對于橋梁與地下空間有避讓需求的類型工程都適用，實際工程中可以根據(jù)地下空間需要選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，具有較大實用參考價值。