城市高架橋跨地鐵的大跨徑承臺設(shè)計

楊沈紅

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程概況

西安某高架橋工程位于西安中心城區(qū)，總長約1.9km，工程較為復(fù)雜，沿線需跨越多個路口，同時工程K2+080～K2+240段線位與已建地鐵四號線重疊。本文主要對高架橋K2+080～K2+240范圍內(nèi)與地鐵四號線相沖突的樁基承臺進行設(shè)計。

高架橋與地鐵四號線的位置如圖1所示。

圖1 高架橋承臺樁基與地鐵隧道的平面位置

該段高架橋樁基布置需避開現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)，根據(jù)多方溝通協(xié)調(diào)，為避免施工期間對已建地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，地鐵公司提出橋墩樁基與地鐵隧道之間的最小凈距3 m。故該段樁基布置受地鐵結(jié)構(gòu)的影響較大，基礎(chǔ)布置受到一定限制，需對高架橋樁基承臺進行特殊設(shè)計。該段高架橋下地鐵上下行隧道間的凈距僅4.5 m，無法在上下行隧道間設(shè)置樁基，橋梁需采用大跨徑承臺同時跨越上下行隧道，如圖2所示。

圖2 承臺總體布置圖（單位：cm）

2 大跨徑承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

為減小上部結(jié)構(gòu)對大跨徑承臺的作用，該段上部結(jié)構(gòu)采用自重較輕的鋼箱梁，跨徑30 m，梁高2.0 m。橋墩的布置受地面道路的影響采用雙柱式矩形橋墩，承臺跨越地鐵上下行隧道，樁基與地鐵最小凈距3.4 m，承臺總長37.65 m，為減小承臺混凝土體量，采用啞鈴型承臺。根據(jù)該工程地質(zhì)條件，樁基采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計，樁長60 m。

該承臺若按常規(guī)承臺設(shè)計，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于樁基間距較大，系梁跨中彎矩過大，將出現(xiàn)開裂，無法滿足設(shè)計要求，因此需采用預(yù)應(yīng)力混凝土承臺。結(jié)合該工程特點，提出兩種承臺設(shè)計方案。

2.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土實心承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

承臺為長37.65 m，寬10.5 m，高3 m的實心承臺，通長配束36根15?s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，分三層布置，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值采用1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，梁端對稱張拉，鋼束布置如圖3和4所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力承臺鋼束布置（單位：cm）

圖4 預(yù)應(yīng)力承臺鋼束斷面布置（單位：cm）

2.2 方案二：普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

承臺長 37.65 m，寬10.5 m，高 3.5 m，為減小承臺自重，跨中段系梁采用單箱雙室的箱型截面，跨中受力主筋為2根 ?36組成的束筋，間距0.13 m，下緣受拉區(qū)布置兩排，共132根 ?36鋼筋；同時系梁段頂?shù)装甯髟O(shè)置一排預(yù)應(yīng)力鋼絞線，共24根15?s15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1395MPa。承臺立面和系梁斷面分別如圖5和圖6所示。

圖5 承臺立面圖（單位：cm）

圖6 承臺系梁斷面圖（單位：cm）

3 邊界條件

對于方案一，由于承臺一次成型，且張拉預(yù)應(yīng)力后系梁出現(xiàn)一定的上撓，因此可以忽略承臺底土層對承臺的作用，承臺底面以上的荷載全部由樁基承受。對于方案二，由于承臺和系梁分段澆筑，由于承臺底離地鐵隧道距離較遠，且承臺所在土層地基容許承載力100 kPa，土層較好，施工期間可考慮地基土對承臺的支撐作用。系梁澆筑期間結(jié)構(gòu)自重全部由地基土承擔(dān)，待系梁與橋墩形成整體后，橋墩與上部結(jié)構(gòu)的恒載則由整個承臺傳遞至樁基承受。

鋼箱梁及橋面系恒載以集中力加載在墩頂，其中左側(cè)支點恒載合計2 560 kN，右側(cè)支點恒載合計5 270 kN，汽車荷載按城-A級設(shè)計。

采用橋梁博士進行建模分析，采用“m”法模擬群樁剛度，基礎(chǔ)剛度如表1所示。

表1 基礎(chǔ)剛度

圖7 計算模型

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土實心承臺

4.1.1 施工階段模擬

共6個施工階段：（1）整體現(xiàn)澆樁基承臺（2）張拉預(yù)應(yīng)力鋼束（3）現(xiàn)澆橋墩（4）承臺頂土回填（5）施工上部結(jié)構(gòu)及橋面系（6）10 a收縮徐變。

4.1.2 承載能力極限狀態(tài)強度驗算

極限承載能力考慮各種效應(yīng)基本組合情況進行包絡(luò)。按照《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）第 5.1.2條規(guī)定，承臺承載能力極限狀態(tài)強度驗算應(yīng)滿足下列規(guī)定:

式中，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S為作用組合的效應(yīng)設(shè)計值；R為構(gòu)件承載力設(shè)計值。

模型計算結(jié)果如圖8和圖9所示，承載能力極限狀態(tài)承臺基本組合作用下最大正彎矩132749kN·m，位于橋墩右立柱處承臺底，該處抗彎承載力為330 478 kN·m；最大負彎矩 4 1696 kN·m，位于左承臺頂，該處抗彎承載力為266 028 kN·m；最大剪力為24 103 kN，位于左承臺樁頂處，該處抗剪承載力為27 143 kN。綜上所述，預(yù)應(yīng)力承臺正截面抗彎及斜截面抗剪強度驗算均滿足規(guī)范要求。

圖8 最大彎矩及其抗力（單位：kN·m）

圖9 最小彎矩及其抗力（單位：kN·m）

4.1.3 正常使用階段抗裂性驗算

按照《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）第 6.3.1條規(guī)定，承臺正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算應(yīng)滿足下列規(guī)定:正截面正應(yīng)力：

斜截面主拉應(yīng)力：

式中，σst為作用頻遇組合下混凝土法向拉應(yīng)力，MPa；σlt為作用準(zhǔn)永久組合下混凝土法向拉應(yīng)力，MPa；σpc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力，MPa；ftk為混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

如圖10和11所示，作用頻遇組合及作用準(zhǔn)永久組合下承臺正截面均全截面受壓，斜截面最大主拉應(yīng)力0.34 MPa，小于允許值0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa。綜上所述，承臺正常使用階段抗裂性滿足規(guī)范要求。

圖10 作用頻遇組合下上下緣最小法向壓應(yīng)力（單位：MPa）

圖11 作用頻遇組合下最大主拉應(yīng)力（單位：MPa）

4.1.4 正常使用階段應(yīng)力驗算

按照《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）第 7.1.5條規(guī)定，正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗算應(yīng)滿足下列規(guī)定:

式中，σkc為混凝土法向壓應(yīng)力，MPa；σpt為預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力，，MPa；fck為混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

如圖12和13所示，作用標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺最大法向壓應(yīng)力8.51 MPa，小于允許值0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa，主壓應(yīng)力8.51 MPa，小于允許值0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa。承臺正常使用階段應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖12 作用標(biāo)準(zhǔn)組合下上下緣最大法向壓應(yīng)力（單位：MPa）

圖13 作用標(biāo)準(zhǔn)組合下最大主壓應(yīng)力（單位：MPa）

4.2 方案二：普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺

方案一預(yù)應(yīng)力張拉后對樁頂產(chǎn)生較大彎矩，對樁基產(chǎn)生不利影響，同時預(yù)應(yīng)力張拉時，基礎(chǔ)剛度越大，分擔(dān)到的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)就越大，承臺系梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)就越小，預(yù)應(yīng)力無法100%施加到系梁上，而地基土層特性較為復(fù)雜，基礎(chǔ)剛度是個理論值，若實際基礎(chǔ)剛度比設(shè)計模擬剛度大，則預(yù)應(yīng)力效應(yīng)達不到原設(shè)計要求，為避免上述風(fēng)險，該方案采用混合承臺，僅在承臺跨中段頂?shù)装鍍?nèi)對稱張拉預(yù)應(yīng)力，樁頂段仍采用鋼筋混凝土承臺，張拉鋼束后再現(xiàn)澆濕接段，將樁頂段與跨中段連成整體。

4.2.1 施工階段

承臺分段現(xiàn)澆，共7個施工階段：（1）現(xiàn)澆跨中段系梁及樁基承臺（2）對稱張拉跨中段頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力鋼絞線；（3）現(xiàn)澆濕接縫，樁基承臺與系梁連成一體（4）現(xiàn)澆橋墩（5）承臺頂土回填（6）施工上部結(jié)構(gòu)及橋面系（7）10年收縮徐變。

4.2.2 承載能力極限狀態(tài)強度驗算

根據(jù)模型計算結(jié)果，如圖14和15所示，承載能力極限狀態(tài)承臺基本組合作用下最大正彎矩108 628 kN·m，位于橋墩右立柱處，該處抗彎承載力為243 703 kN·m；基本組合作用下最大負彎矩47 156 kN·m，出現(xiàn)在左側(cè)端部承臺處，該處抗彎承載力為170 121 kN·m；端部承臺基本組合作用下最大剪力為22565kN，該處抗剪承載力為30274kN；跨中段基本組合作用下最大剪力為12 985 kN，該處抗剪承載力為14 014 kN。綜上所述，混合承臺正截面抗彎及斜截面抗剪強度驗算均滿足規(guī)范要求。

圖14 最大彎矩及其抗力（單位：kN·m）

圖15 最小彎矩及其抗力（單位：kN·m）

4.2.3 正常使用階段抗裂性驗算

按《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）第 6.4.3條規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度為：

式中，C1為鋼筋表面形狀系數(shù)；C2為長期效應(yīng)影響系數(shù)；C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；σSS為鋼筋應(yīng)力，MPa；c為最外排縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度，mm；d為縱向受拉鋼筋直徑，mm；ρe為縱向受拉鋼筋的有效配筋率；Es為鋼筋的彈性模量，。

根據(jù)《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）第6.4.2條規(guī)定，該工程所在I類環(huán)境中B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度限制為0.1 mm，鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度限制為0.2 mm。

經(jīng)計算，跨中段為B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，最大裂縫0.08 mm，小于規(guī)范允許值0.1 mm，位于橋墩右立柱處承臺下緣；端部樁頂承臺為鋼筋混凝土構(gòu)件，最大裂縫為0.11mm，小于規(guī)范允許值0.2mm，位于左承臺上緣。綜上所述，混合承臺計算最大裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

5 方案比選

經(jīng)計算，兩種方案的強度、抗裂性能等均滿足相關(guān)規(guī)范要求，但從受力性能上說，方案一預(yù)應(yīng)力束張拉使得樁基產(chǎn)生附加彎矩，對結(jié)構(gòu)受力較為不利。同時，預(yù)應(yīng)力的效應(yīng)與基礎(chǔ)剛度有關(guān)，而按“m”法計算群樁基礎(chǔ)剛度時，m的取值對基礎(chǔ)剛度影響較大，若基礎(chǔ)剛度較大，預(yù)應(yīng)力張拉時樁基會分擔(dān)較多預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，承臺系梁達不到原設(shè)計要求，受力不明確。而方案二承臺分段澆筑，預(yù)應(yīng)力束在系梁與樁基承臺連成整體前張拉，即能實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力全部施加到系梁上，又對樁基沒有影響，受力分析明確。從經(jīng)濟性能上說，方案二承臺系梁采用空心截面，雖然梁高較方案一增大50 cm，但總體混凝土體量比方案一小15.6%，方案二更經(jīng)濟。從施工角度上說，方案二采用分段澆筑，通過濕接段連成整體，施工時間較方案一略長。綜合以上考慮，該工程推薦采用方案二進行設(shè)計。

方案 預(yù)應(yīng)力混凝土實心承臺 普鋼-預(yù)應(yīng)力混凝土混合空心承臺對承臺的影響預(yù)應(yīng)力部分被樁基分擔(dān)，無法100%施加到承臺系梁上且受力不明確預(yù)應(yīng)力全部作用在承臺系梁上，受力明確對樁基的影響預(yù)應(yīng)力在系梁與樁基連接前完成張拉，對樁基無影響經(jīng)濟性 系梁實心截面，混凝土體量較大（承臺共675 m3）預(yù)應(yīng)力張拉使樁基產(chǎn)生附加彎矩系梁空心截面，混凝土體量較小（承臺共570 m3）施工便捷性承臺一次性澆筑，然后張拉預(yù)應(yīng)力束，施工較為便捷承臺分段澆筑，張拉預(yù)應(yīng)力后澆筑濕接縫，連成整體，施工較為繁瑣

6 結(jié)語

為解決高架橋與地鐵線位重疊時橋梁樁基承臺如何設(shè)計，本文對兩種承臺方案均進行了詳細論證，經(jīng)計算，兩種承臺方案承載能力極限狀態(tài)下的強度、正常使用狀態(tài)下的抗裂性等均滿足規(guī)范要求，設(shè)計方案合理可行，但預(yù)應(yīng)力承臺預(yù)應(yīng)力效應(yīng)受基礎(chǔ)剛度及土層特性影響較大，需精確設(shè)計。大跨徑承臺的應(yīng)用可使樁基的布置更為靈活，較好的解決了高架橋樁基與地鐵沖突的矛盾。