鋁合金人行天橋下部基礎快速化施工研究

蔣仕持

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋁合金人行天橋經過最近10 多年的發展，已逐漸成為市政工程人行天橋中的一個新的分支。在這一發展過程中，已有不少專家和學者采用理論計算、數值模擬和現場測試等方法充分研究了該結構形式的力學性能，為鋁合金人行天橋上部結構的研究和進一步創新提供方向上的指導，為工程實踐提供了重要的參考依據[1]。目前已有的工程實踐中，鋁合金人行天橋上部結構的施工多采用工廠預制、現場拼裝的方式，但下部基礎仍采用傳統的鉆/ 挖孔樁或現澆擴大基礎等，導致全橋施工周期依然較長，無法充分發揮和體現鋁合金人行天橋快速化施工的優勢。目前國內人行天橋下部基礎快速化施工相關的研究較少，本文將結合鋁合金人行天橋的特點，研究天橋下部結構快速化施工的方案。

傳統人行橋下部基礎一般采用混凝土/ 鋼立柱+ 現澆樁基礎/ 擴大基礎形式。一般來說，當持力層埋深較淺且基礎可利用場地較大時，優先采用擴大基礎；當持力層埋深較深或障礙物（如市政管網）較多導致可利用場地很小時，優先采用樁基礎。本文選用了兩種跨徑的桁架式鋁合金人行天橋進行計算，根據計算結果擬定樁基礎方案和擴大基礎方案的主要尺寸規格，并提出對應的快速化施工方案。

1 算例概況

1.1 算例一

根據我院設計的人行天橋跨徑大多為雙向6 車道+ 中央分隔帶，因此該算例采用兩跨18.4 m+18.4 m布置形式，桁架高度2.0 m，全橋寬度4.716 m。采用Midas Civil 建立空間桿系模型，見圖1。

圖1 18.4 m+18.4 m 桁架梁空間桿系模型

1.2 算例二

算例二采用某單跨52 m 鋁合金桁架人行天橋，跨中桁架高度4.8 m，全橋寬度3.85 m。采用Midas Civil 建立空間桿系模型，見圖2。

圖2 單跨52m 桁架梁空間桿系模型

永久荷載包括橋梁自重、橋面鋪裝、欄桿、各種橋上設施等；活載考慮人群荷載，系統升溫取46℃，降溫取46℃，結構沉降取1/3 000L（L 為橋梁跨徑），風荷載采用10 年風，風速為26.0 m/s，支座采用球鋼支座。由計算模型提取出的上部反力（單支座反力）見表1。

表1 算例上部結構反力

2 樁基礎方案

2.1 樁基礎尺寸

考慮每個支座下設置一根立柱和一根樁，同時為合理分配橫向水平力，在墩頂處用構件將兩立柱連接，僅傳遞水平力。按表1 的反力并考慮基礎自重，基礎按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[2]、《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[3]進行計算，得出基礎采用各種樁徑下所需樁長，見表2。其中，橋墩采用鋼立柱（內灌注混凝土），土層考慮為單一土層，qik=30 kPa，fa0=150 kPa，k2=1.5，γ2=18 kN/m3。

表2 各種樁徑下樁長 單位：m

按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態對樁基礎進行驗算，計算出各種樁徑下普通鋼筋混凝土樁配筋率，見表3。其中，活動支座處水平力考慮摩擦力，摩擦系數取0.05。

表3 各種樁徑下樁基配筋率

從計算結果可知，鋁合金人行天橋由于自重輕，樁基承載力需求不大，樁長和樁徑都較小，對樁身強度要求也不高。同時考慮到上部結構較輕，地震作用下，下部基礎的抗震需求也相對較小，故可采用預制樁代替灌注樁來減少下部結構的施工工期。

2.2 樁基礎快速化施工方案

2.2.1 預制管樁概況與施工方案

目前，國內預制樁主要分為鋼筋混凝土預制方樁/ 管樁（RC 樁）、預應力混凝土管樁（PC 樁、PHC樁、PRC 樁等）、鋼樁（鋼管樁、H 型樁及其他異型鋼樁） 等。預應力混凝土管樁在我國的生產和應用十分廣泛，早在2010 年，我國管樁的年生產量已超3 億m[4]。管樁的標準化工作也有很大的發展，我國現有各類預應力混凝土管樁的相關規范標準有30多部，設計可參考的規范和圖集主要為《先張法預應力混凝土管樁》（GB 13476—2009）[5]、《預應力混凝土管樁技術標準》（JGJ/T 406—2017）[6]、《預應力混凝土管樁》（10G409）[7]和各地方標準等。考慮到預應力混凝土管樁的技術成熟性和鋁合金天橋的特點，本文預制樁采用PC 樁。

采用預制樁的天橋基礎快速化施工方案如下：

（1）工廠預制PC 樁。

（2）運輸至施工現場。

（3）通過錘擊法、靜力壓樁法、振動法和水沖法等沉樁。

（4）預制并運輸鋼立柱。

（5）通過焊接、法蘭連接、機械連接等方法將樁與鋼柱結合。

完成以上步驟即可施工上部結構。這比普通灌注樁基礎可大大節省現場施工時間。

2.2.2 樁柱連接方式與P C 樁優缺點

PC 樁和立柱的預制、安裝較為成熟，本文主要研究預制樁與鋼柱連接的細部構造。

鋼立柱直徑和PC 樁相同時，推薦采用焊接法連接樁和立柱，即在鋼柱底部焊接法蘭盤，鋼柱底部內側焊接柱腳加勁，將柱底法蘭同樁的端板焊接，保證接頭連接強度不小于樁身強度。連接構造如圖3 所示。

圖3 樁柱焊接接頭平面及細部構造

樁徑較小的樁基（d≤600 mm）可以采用機械齒合接頭連接。此種方法更加快速，施工時直接將鋼立柱底部的連接銷插入樁頂連接槽即可完成連接，可用于上下樓梯處立柱與樁基的連接。連接構造如圖4所示。

圖4 樁柱機械齒合平面及細部構造

大直徑PC 樁與不等直徑鋼柱連接，可以采用螺栓連接，即預制前在樁內預埋螺栓并在端板開孔（或采用比樁徑大的端板并在樁身外側處打孔，無須預埋螺栓），鋼柱底部焊接與之匹配的法蘭盤和柱腳加勁板，通過螺栓將立柱和樁基連接。后續可用包封混凝土包裹法蘭，避免螺栓松動和銹蝕。連接構造如圖5 所示。

圖5 樁柱螺栓接頭平面及細部構造

另外，需采用群樁基礎時，可在預制承臺上預留后澆洞。PC 樁端板上焊接連接鋼板，然后連接鋼板上焊接鋼筋，鋼筋與預制承臺連接通過后澆混凝土進行連接。

采用PC 樁代替灌注樁主要優點如下：

（1）樁身強度高、抗裂性能好，一般情況下比采用灌注樁更經濟。

（2）成樁質量好，由于其在工廠預制，樁身質量有保障。

（3）運輸、吊裝和沉樁方便，施工工期大大降低。由于鋁合金天橋質量輕，樁長、樁徑都較小，便于運輸和安裝。

（4）環境友好，施工中無沙石、水泥，無泥漿污染，施工場地需求小。

PC 樁的缺點主要如下：

（1）施工水平要求相對較高，施工不當易造成樁身破碎、傾斜、折斷等。

（2）對周圍道路、管線等影響較大。由于PC 樁沉樁時樁周土體被擠密，容易使周圍土體水平移動或豎向隆起，可通過采用“引孔法”緩解此問題。

（3）由于截面減小導致抗剪承載力減弱。

3 擴大基礎方案

3.1 擴大基礎尺寸

擴大基礎按每一個立柱對應一個擴大基礎、橫向兩個立柱共用一個擴大基礎兩種方案進行計算。城市天橋一般縱橋向尺寸受限，故單基礎平面采用方形、矩形兩種。按表1 的反力并考慮基礎自重，計算出各種擴大基礎尺寸（見表4）。其中，基礎埋深取1.5 m，立柱高度取5.5 m，基礎高度取1.0 m，并做成階梯狀（階梯高度0.5 m，上層尺寸比下層小0.6 m），fa0按100 kPa 和150 kPa 分別計算，k1=0，k2=1.5，γ1=γ2=18 kN/m3。

表4 擴大基礎尺寸（橫橋向×順橋向） 單位：m

計算結果表明：

（1）地基承載力為100 kPa 時，擴大基礎尺寸受地基承載力控制；地基承載力為150 kPa 時，擴大基礎尺寸受合力偏心矩控制。

（2）由于基礎彎矩主要由橫向風荷載產生，加大橫向尺寸可稍微減小基礎面積，合并基礎也可減小基礎總面積。

（3）由于鋁合金天橋自重輕，擴大基礎底易出現拉應力，導致基礎尺寸需求較大而地基承載力需求不大。對于大跨徑鋁合金天橋，不推薦采用擴大基礎。

3.2 擴大基礎快速化施工方案

根據以上計算結果，在地基承載力fa0不小于150 kPa 時，鋁合金人行天橋擴大基礎短邊尺寸基本可以控制在3.0 m 以內；重量在30 t 以下，天橋擴大基礎基本可以通過公路運輸到現場進行安裝。

因此，對鋁合金人行天橋采用擴大基礎方案時的快速化施工方案如下：

（1）根據地質條件選擇適當的持力層。當持力層地基承載力fa0太小導致基礎尺寸過大時，通過合適的地基處理、加固措施提高承載力。

（2）預制場預制擴大基礎并預埋法蘭盤和螺栓。

（3）基坑開挖、基礎運輸至現場并吊裝。

（4）預制并運輸鋼立柱。

（5）基礎和立柱通過螺栓連接并回填基坑。

完成以上步驟即可施工上部結構，相比現澆擴大基礎，可大大節省現場施工時間。鋼立柱與預制擴大基礎連接示意如圖6 所示。

圖6 鋼立柱與預制擴大基礎連接示意

上述施工方案中制約現場施工工期的主要是地基處理的工期，本文推薦采用下述較為快速的地基處理方法。

地基處理的基本方法一般有置換、夯實、擠密、排水、膠結、加筋等。一般來說，換土墊層法操作簡單，成本較低，速度快，適用性強，可作為擴大基礎軟弱地基處理的首選方案。但其只適合處理3 m 范圍內的換土墊層，換土厚度越大，造價成本越高，也不適合處理地下水位高、滲透性強的地基。因此，當基礎底部軟弱土層層底埋深較淺時（＜4 m），推薦采用換填法進行地基處理。

當軟弱土層層底埋深較深時（4～8 m），推薦采用預制樁進行加固。預制樁樁體采用邊長150～300 mm 的鋼筋混凝土方樁，現場直接打入至持力層，然后鋪設褥墊層。此方法操作簡單、速度較快、適用性較強。而對于軟弱層層底埋深過深時，不推薦采用擴大基礎。

4 結語

本文結合鋁合金人行天橋的特點，按兩種跨徑的桁架式鋁合金人行天橋分別計算出下部基礎的大致尺寸，并分別提出了采用樁基礎和擴大基礎對應的快速化施工方案。相比傳統現澆樁基礎/ 擴大基礎方案，可大大縮短現場施工的工期。對于PC 樁與立柱的連接提出了三種連接構造，對于擴大基礎地基處理推薦了較為快速的處理方案，可為鋁合金人行天橋下部基礎快速化施工提供參考。