地震作用下連續剛構橋樁基設計探討

林 云，商從晉

（廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

連續剛構橋由于墩梁固結，上部結構的地震力傳遞給下部結構和基礎，比起同跨徑、同墩高的連續梁來說受力更不利。但是連續剛構橋節省了大噸位支座，施工和后期維護相較連續梁來說更簡單。本文以廣東潮汕地區某主跨68m、平均墩高13．5m的連續剛構橋為例，分析其在高地震烈度下的抗震性能，并提出了應對樁基受拉的解決方案。

1 工程概況

廣東潮汕地區某預應力混凝土連續剛構橋跨徑布置為（37．5＋68＋68＋37．5）m。橋寬12．5m，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＃～16＃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。承臺順橋向7．5m，橫橋向11m，厚3m。基礎采用四根直徑1．8m的鉆孔灌注樁基礎，順橋向間距4．5m，橫橋向間距6m。下部結構及基礎構造如圖2所示。

圖2 基礎平面示意圖（m）

2 動力模型及結構動力特性

橋梁動力模型和動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎，為了計算在地震作用下的結構動力響應，必須首先計算橋梁結構的動力特性。

采用空間結構的有限單元方法建立了計算模型，利用空間梁單元模擬上構、墩柱、承臺以及樁基等結構的特性。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彈性值的m參數來計算（如圖3所示）。

圖3 橋梁結構動力計算有限元模型圖

橋梁結構的動力特性是進行抗震分析設計的基礎。根據上述建立的有限元動力計算模型，對該橋的動力特性進行分析。運用Ritz向量法求出與三個平動地震動輸入直接相關的前90階振型，X、Y、Z三個方向的平動振型參與質量分別是99．99%、99．99%、99．91%，滿足振型參與質量達到總質量90%以上的要求（如表1所示）。

表1 橋梁結構動力特性表

3 E2地震作用下橋梁樁基地震反應

為了判斷E2地震作用下結構是否進入塑性階段，先假設E2作用下橋墩和樁基都處于彈性狀態，計算其在E2作用下的內力值，如果該內力值超過了結構相應的屈服內力值，則可以判斷該結構已進入塑性階段，應該進行剛度折減。

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTJ／T B02－01－2008）（以下簡稱《細則》）第6．8．5條，“梁橋基礎內力設計值應根據墩柱底部可能出現塑性鉸處的彎矩承載力、剪力設計值和墩柱最不利軸力來計算”。根據計算，主墩在E2順橋向地震作用下已進入塑性工作狀態，因此該橋主墩順橋向樁基礎內力設計值可根據《細則》第6．8．5條進行相關計算，計算結果見表2～4。軸力正值為拉力，負值為壓力。

表2 主墩塑性鉸區域屈服時對應的內力表

表3 樁基內力表（E2順橋向地震組合1）

表4 樁基內力表（E2順橋向地震組合2）

由計算分析可得，主墩在E2橫橋向地震作用下處于彈性狀態，因此該橋主墩橫橋向樁基礎內力設計值可取E2地震作用下的地震響應值，結果見表5～6。

表5 樁基內力表（E2橫橋向地震組合1）

表6 樁基內力表（E2橫橋向地震組合2）

4 鋼管復合樁設計

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，最大拉力出現在15＃主墩墩頂位置，為17 208kN；14＃、16＃主墩墩頂拉力也達12 661kN。經過驗算，僅通過加強樁基礎配筋并不能滿足結構強度的要求。

為了滿足樁基拉彎剪作用下強度的要求，本橋擬采用鋼管復合樁設計。大直徑鋼管復合樁由于具有承載力高、延性好、可靠性高、便于施工、風險可控、費用相對經濟等優點，特別是在承受荷載時，“鋼管＋核心混凝土”樁以復合體形式表現出良好的共同工作性能。

鋼管復合樁是一種由鋼管和鋼筋混凝土組成的組合結構。鋼管復合樁的施工方法是先打設鋼管至設計標高，然后清空管內土體，向下鉆孔至設計樁底，最后下放鋼筋籠并澆筑樁身混凝土。

本橋鋼管復合樁由兩部分組成：承臺端有鋼管段、樁底端無鋼管段。復合樁鋼管內徑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區段鋼管內壁設置8道剪力環（如圖4所示）。

圖4 鋼管復合樁構造圖（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。

鋼管復合樁截面可以看作一個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，在極限狀態下的應力、應變、屈服、拉斷（最大限制拉應變0．01）行為不同，兩者尚有不同的屈服應力和彈性模量。為便于計算，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程序建立鋼管復合樁截面的纖維模型，計算彎矩－曲率曲線，纖維截面劃分如圖5所示。計算時，不考慮鋼管內混凝土的作用（拉彎構件），計算結果見表7～8。

鋼管復合樁截面纖維模型圖

表7為以鋼管極限應變為控制條件獲得的截面等效屈服彎矩；表8為以管內混凝土極限應變為控制條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（鋼管極限應變）

表8 樁身截面等效屈服彎矩表（管內混凝土極限應變）

由計算結果可知，在兩種控制條件下，軸力對應等效屈服彎矩均大于地震響應下的彎矩，說明采用鋼管復合樁設計滿足E2橫向地震下樁基承載能力要求。

5 樁基抗拔設計

樁身軸拉力在地震作用下出現，其起因是作用于承臺的彎矩轉換成雙排樁的力偶，產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的軸拉力平衡，由于樁端巖層的摩阻力最大，遠大于淺表層土體，因此樁身在較長的區段內軸拉力都較大，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摩阻力有關。由于本橋淺表層土體提供側阻力有限，因此為了滿足樁基抗拔要求需設置較長的樁長，使樁基更多嵌入側阻力大的巖層以抵消上拔力，這就導致樁基入巖過深，施工困難。

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

后注漿工藝在樁身預設壓漿管和注漿閥，完成灌注樁混凝土澆筑后，通過壓漿管進行壓漿，起到固結樁周圍泥皮和巖土的作用，提高樁基端阻和側阻力。

《建筑樁基技術規范》（JGJ 94－2008）提供了采用后注漿工藝時，單樁極限承載力標準值的計算公式：

抗拔單樁驗算公式：

其中單樁抗拔極限承載力標準值

以15＃墩為例，注漿范圍為樁底至強風化巖層，后注漿摩阻力增強系數見表9：

表9 后注漿對應巖層增強系數表

采用后注漿工藝與不采用后注漿工藝樁長對比表見表10：

表10 樁長對比表

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

6 結語

本文通過對一座（37．5＋68＋68＋37．5）m連續剛構橋在E2地震作用下的抗震計算發現，其主墩樁基礎在橫向地震作用下出現很大軸拉力，通過采用鋼管復合樁基礎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，結論如下：

（1）當僅通過加強鋼筋混凝土截面配筋不能滿足樁基抗拉彎要求時，可采用鋼管復合樁截面。通過本橋驗算表明，鋼管復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阻力，提高樁基的抗拔承載能力，是減少抗拔樁樁長的一種有效方式。通過本橋驗證，采用后注漿工藝有效減少了13%～19%的樁長。