寧波市機場路高架橋梁分幅施工的分析

袁明軍

（寧波城市交通建設有限公司，浙江 寧波315010）

1 工程概況

規劃機場快速干道作為寧波“三橫四縱”快速主骨架路網道路，位于寧波市中心城區中、西部地區，自北向南將繞城高速（北段）、江北大道、北環西路、環城北路、通途路、中山路、永達路、聯豐路、環城南路、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有機整體，是溝通中心城區與鄞南-奉化組團、余慈地區最便捷的快速通道，是中心城區中西部路網的主要集散通道，同時還是寧波櫟社國際機場、寧波客運中心及寧波鐵路南站樞紐的重要集散通道，在中心城區路網中具有重要的地位和作用。本文所闡述的機場快速干道工程起自中山西路、終點至機場路與 34省道立交起點（K5+230.355～K13+149.937），全長7 919.582 m。

主線高架采用現澆預應力混凝土連續箱梁，標準跨度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。標準段橋墩采用雙柱的中央造型橋墩。基礎采用直徑800～1 200 mm的鉆孔灌注樁基礎。橋梁設計典型斷面見圖1與圖2所示。

由于寧波市機場高架是在原機場路的基礎上建造的，地面交通不能中斷，對于有的如圖2所示的橋梁斷面區段需要分幅施工。分幅施工的主線橋梁，因兩幅橋落架時間不同，中間墩柱及基礎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，為工程的順利實施提供有價值的建議。

圖1 橋梁設計典型斷面圖（一）（單位：mm）

圖2 橋梁設計典型斷面圖（二）（單位：mm）

2 分幅施工橋梁的下部結構

該項寧波市機場路高架分為五個施工標段，由三家設計單位完成設計，其中I、II標段由上海市政工程設計研究總院設計，III標段由林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司設計，IV、V標段由天津市市政工程設計研究院設計。主線每個標段都有分幅施工的區段，進行綜合比較，對于分幅施工的橋梁結構，I、II標段與III標段中間橋墩樁基礎的樁數與樁徑基本相同，而IV、V標段樁基礎的樁數與樁徑卻完全不同。所以，分別選擇受力最不利的II標段PZ74墩與V標段61號墩作為研究對象，來分析分幅施工時橋梁下部結構橋墩和樁基的受力特性。

II標段的 PZ74 墩[1]，該墩為 PZ73～PZ76 連續梁的中墩，該聯橋梁跨徑布置為（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，共設有12根D800 mm的鉆孔灌注樁，單樁長56 m。該橋墩構造及基礎布置如圖3所示。

圖3 II標段的PZ74墩構造及基礎布置示意圖

V標段的61號墩[2]，該墩為60～65連續梁的中墩，該聯橋梁跨徑布置為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，共設有6根D1 000 mm的鉆孔灌注樁，單樁長64 m。該橋墩構造及基礎布置如圖4所示。

3 分幅施工階段的下部結構分析

3.1 計算模型

在分析分幅施工時橋梁下部結構橋墩和樁基的受力特性時，本文所采用的計算工況、荷載及計算參數如下：

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

圖4 V標段的61號墩構造及基礎布置示意圖

（2）樁基內力的計算采用m法，m值分別取3 000 kN/m4或5 000 kN/m4進行計算，取最不利結果，且樁基沉降按受力最大的單根樁計算。

利用結構分析軟件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；考慮單樁的基礎剛度，利用“m”法建模計算得到6×6的剛度，利用Link單元體現在模型中。PZ74橋墩和61號橋墩結構模型圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 PZ74墩計算模型圖

3.2 樁土彈簧剛度的計算

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

圖6 61號墩計算模型圖

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

bli可以用文獻[4]的有關計算公式來計算：

其中，利用上述公式計算得到的土體分布寬度還應滿足 bli≤2 d。式(2)、(3)中：d 為樁體的直徑；kf為樁形狀換算系數，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[4]。

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

（1）對于PZ74墩：

（2）對于61號墩：

在以上計算式中，各個標識符的下標x、y分別表示順橋向和橫橋向。

關于單樁豎向地基剛度的計算，根據文獻[4]，可按下式計算：

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

根據以上公式計算得到的樁土彈簧剛度，把整個單樁作為一個子結構，把單樁樁頂處的節點作為子結構和主橋整體模型的邊界點，子結構的剛度通過這邊界點施加在整體模型中，這個剛度以一個6×6的矩陣來表示，在具體的計算模型中可以用一般連接單元來實現。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彈簧剛度矩陣。

表1 PZ74的單樁基礎彈簧剛度矩陣一覽表

表1中，單樁基礎彈簧剛度下標及自由度方向（Link單元的局部坐標系）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、橫向的轉動自由度；平動自由度所對應的彈簧剛度單位為kN/m，轉動自由度所對應的彈簧剛度單位為kN·m/Rad，而轉動和平動的耦合彈簧剛度單位為kN/Rad。

3.3 計算結果分析

根據結構分析結果，m=3 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4的計算結果相差不大。由于文章篇幅所限，本文只列出m=3 000kN/m4時下部結構的一些結論性數據和驗算結果。

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，其計算結果如表2所列。

表2 墩頂系梁計算結果一覽表

經驗算，系梁均為大偏心受拉構件，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；均滿足設計規范要求。

由結構分析得到，PZ74墩和61號墩的墩柱，在箱梁落架側均為偏心受壓構件，而另一側在靠近墩頂部位均出現了拉力；經比較，墩柱最不利截面均為未落架側的墩底截面，其計算結果及驗算如表3所列。

表3 墩柱的最不利內力及驗算結果一覽表

由表3中的驗算結果可以得到，PZ74墩和61號墩的墩柱在承受施工最不利荷載作用下，均能滿足設計規范要求；只是61號墩的墩柱配筋比PZ74墩的強得多，所以設計承載能力比較富裕、裂縫寬度也較小。

根據計算分析結果，PZ74墩和61號墩的樁基受力都很不均勻，PZ74墩的單樁未出現上拔力，而61號墩的單樁樁頂出現了負反力，但均能滿足承載力的要求。單樁的最不利內力及計算結果如表4所列。

表4 單樁的最不利內力及計算結果一覽表

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；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算值。

由表4中的計算結果可以得到：（1）單樁樁身的計算裂縫寬度相對較小，能夠滿足設計規范的要求；（2）按單樁最大軸力計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

由于寧波機場路高架在施工圖設計前期階段并沒有考慮橋梁分幅施工的工況，設計難免有不足之處。雖然經過詳細的計算分析，分幅施工橋梁下部結構在施工最不利荷載作用下的受力是安全的；但是，理論計算和實際施工存在一定的差別，特別是以V標段61號墩為代表樁基的單樁樁徑較大、樁數較小，基礎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，個別單樁出現了負反力，樁身可能出現的裂縫寬度相對較大，所以應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量。

針對寧波機場路高架橋梁的分幅施工，由業主、設計院、監理單位、施工方及有關專家等組成一個橋梁分幅施工的技術小組，制訂關于橋梁分幅施工、測量、監控、緊急預案及措施的技術方案，一些主要關鍵點如下所述：

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

（2）對于類似V標段61號墩的樁基，在單樁樁頂可能出現負反力的位置盡量埋設混凝土或鋼筋應變計，量測單樁的應力值作為控制輔助要素。

（3）在一幅箱梁落架后，加強觀察承臺的沉降量與墩頂的偏位量，注意沉降速率與不均勻沉降量，如果速率接近規范臨界點或者不均勻沉降量或墩頂偏位量接近事先達成的限值，則測量及監控人員上報技術小組，由技術小組下指令采取應急措施。

（4）在另一幅箱梁落架后，也要加強觀察承臺的沉降量與墩頂的偏位量，注意承臺不均勻沉降，以及墩頂偏位的變化情況，在施工驗收時把相對穩定的承臺沉降量及墩頂變位量的記錄值移交給養護運營單位，作為之后對結構進行監控的初始依據。

5 結語

由以上PZ74墩和61號墩的計算分析及驗算結果可以得到：寧波機場路高架分幅施工時橋梁下部結構橋墩和樁基的受力是滿足設計規范的要求，結構是安全的。

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

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

[1]上海市政工程設計研究總院.寧波市機場路高架施工II標段施工圖設計文件[R]，2009.

[2]天津市政工程設計研究院.寧波市機場路高架施工V標段施工圖設計文件[R]，2009.

[3]JGJ94-94，建筑樁基技術規范[S].

[4]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].