宁波市机场路高架桥梁分幅施工的分析

2012-09-25袁明军

城市道桥与防洪 2012年4期

袁明军

（宁波城市交通建设有限公司，浙江宁波315010）

1 工程概况

规划机场快速干道作为宁波“三横四纵”快速主骨架路网道路，位于宁波市中心城区中、西部地区，自北向南将绕城高速（北段）、江北大道、北环西路、环城北路、通途路、中山路、永达路、联丰路、环城南路、杭甬高速、鄞县大道、鄞州大道、绕城高速（南段）等东西向高、快速路及城市主要干道连接成为一个有机整体，是沟通中心城区与鄞南-奉化组团、余慈地区最便捷的快速通道，是中心城区中西部路网的主要集散通道，同时还是宁波栎社国际机场、宁波客运中心及宁波铁路南站枢纽的重要集散通道，在中心城区路网中具有重要的地位和作用。本文所阐述的机场快速干道工程起自中山西路、终点至机场路与 34省道立交起点（K5+230.355～K13+149.937），全长7 919.582 m。

主线高架采用现浇预应力混凝土连续箱梁，标准跨度30.0 m，主梁横断面型式主要为大倾角弧形边腹板型式的多室单箱。标准段桥墩采用双柱的中央造型桥墩。基础采用直径800～1 200 mm的钻孔灌注桩基础。桥梁设计典型断面见图1与图2所示。

由于宁波市机场高架是在原机场路的基础上建造的，地面交通不能中断，对于有的如图2所示的桥梁断面区段需要分幅施工。分幅施工的主线桥梁，因两幅桥落架时间不同，中间墩柱及基础在施工过程中需承受较大的偏心弯矩。本文针对该工况考察中间墩柱、桩基的受力及变形情况，并提出一些施工过程的有效措施，为工程的顺利实施提供有价值的建议。

图1 桥梁设计典型断面图（一）（单位：mm）

图2 桥梁设计典型断面图（二）（单位：mm）

2 分幅施工桥梁的下部结构

该项宁波市机场路高架分为五个施工标段，由三家设计单位完成设计，其中I、II标段由上海市政工程设计研究总院设计，III标段由林同炎李国豪土建工程咨询有限公司设计，IV、V标段由天津市市政工程设计研究院设计。主线每个标段都有分幅施工的区段，进行综合比较，对于分幅施工的桥梁结构，I、II标段与III标段中间桥墩桩基础的桩数与桩径基本相同，而IV、V标段桩基础的桩数与桩径却完全不同。所以，分别选择受力最不利的II标段PZ74墩与V标段61号墩作为研究对象，来分析分幅施工时桥梁下部结构桥墩和桩基的受力特性。

II标段的 PZ74 墩[1]，该墩为 PZ73～PZ76 连续梁的中墩，该联桥梁跨径布置为（31+40+31）m，单幅断面宽为19.9 m。

PZ74的中间墩采用双柱墩，墩高9.112 m，墩柱上横桥向支座之间间距为5.6 m，承台尺寸为7.00 m×7.9 m×2.50 m，共设有12根D800 mm的钻孔灌注桩，单桩长56 m。该桥墩构造及基础布置如图3所示。

图3 II标段的PZ74墩构造及基础布置示意图

V标段的61号墩[2]，该墩为60～65连续梁的中墩，该联桥梁跨径布置为5×30 m，断面全宽为48.996～36.656 m。

61号墩的中间墩采用双柱墩，墩高9.623 m，墩柱上横桥向支座之间间距为5.6 m，承台尺寸为7.00 m×4.6 m×2.50 m，共设有6根D1 000 mm的钻孔灌注桩，单桩长64 m。该桥墩构造及基础布置如图4所示。

3 分幅施工阶段的下部结构分析

3.1 计算模型

在分析分幅施工时桥梁下部结构桥墩和桩基的受力特性时，本文所采用的计算工况、荷载及计算参数如下：

（1）结构分析的对象为主线分幅桥梁的中间墩，仅计算单幅桥梁落架后的工况，支反力仅考虑箱梁自重。根据上部结构的静力分析结果，可以得到，PZ74中间墩柱单个支座的箱梁自重反力为7 230 kN，而61号中间墩柱单个支座的箱梁自重反力为7 555 kN。

图4 V标段的61号墩构造及基础布置示意图

（2）桩基内力的计算采用m法，m值分别取3 000 kN/m4或5 000 kN/m4进行计算，取最不利结果，且桩基沉降按受力最大的单根桩计算。

利用结构分析软件SAP2000（V14.0）建模；立柱及系梁均采用三维空间梁单元，承台采用厚板单元；考虑单桩的基础刚度，利用“m”法建模计算得到6×6的刚度，利用Link单元体现在模型中。PZ74桥墩和61号桥墩结构模型图分别如图5、图6所示。

图5 PZ74墩计算模型图

3.2 桩土弹簧刚度的计算

桩-土之间的作用采用弹簧来模拟，而土弹簧刚度的计算一般可以按照“m”法来计算。参考文献[3][4]，作用在单个桩体上的水平土弹簧刚度可按下式计算：

图6 61号墩计算模型图

式(1)中：ki为作用在桩体第i点的水平土弹簧刚度kN/m；mi为位于第i点处土层的“m”值，kN/m4；zi为第i点离土层顶面（或地面）的高度，m；hi为计算第i点处土弹簧刚度值时所用的土体分布高度或高度贡献，m；bli为计算第i点处土弹簧刚度值时所用的土体分布宽度或宽度贡献，m。

bli可以用文献[4]的有关计算公式来计算：

其中，利用上述公式计算得到的土体分布宽度还应满足 bli≤2 d。式(2)、(3)中：d 为桩体的直径；kf为桩形状换算系数，对于圆形截面取kf=0.9；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数[4]。

根据PZ74和61号中间桥墩基础的桩基平面布置图，以及参考文献[4]，可以得到：

（1）对于PZ74墩：

（2）对于61号墩：

在以上计算式中，各个标识符的下标x、y分别表示顺桥向和横桥向。

关于单桩竖向地基刚度的计算，根据文献[4]，可按下式计算：

式(8)中：ζ为系数，对于端承桩，ζ=1；对于摩擦桩（或摩擦支承管桩），打入或振动下沉时，ζ=2/3；钻（挖）孔时，ζ=1/2；C0为桩端地基竖向抗力系数，C0=m0×h（当 h＜10 m 时，取 C0=10×m0）；其中：m0为桩端处的地基竖向抗力系数的比例系数；A为入土部分桩的平均截面积；A0按文献[4]的公式计算。

根据以上公式计算得到的桩土弹簧刚度，把整个单桩作为一个子结构，把单桩桩顶处的节点作为子结构和主桥整体模型的边界点，子结构的刚度通过这边界点施加在整体模型中，这个刚度以一个6×6的矩阵来表示，在具体的计算模型中可以用一般连接单元来实现。以PZ74墩的单桩取m=3 000 kN/m4为例，表1为采用刚度法得到的单桩基础弹簧刚度矩阵。

表1 PZ74的单桩基础弹簧刚度矩阵一览表

表1中，单桩基础弹簧刚度下标及自由度方向（Link单元的局部坐标系）U1、U2、U3分别表示轴向、竖向、横向的平动自由度，而R1、R2、R3则分别表示轴向、竖向、横向的转动自由度；平动自由度所对应的弹簧刚度单位为kN/m，转动自由度所对应的弹簧刚度单位为kN·m/Rad，而转动和平动的耦合弹簧刚度单位为kN/Rad。

3.3 计算结果分析

根据结构分析结果，m=3 000 kN/m4和m=5 000 kN/m4的计算结果相差不大。由于文章篇幅所限，本文只列出m=3 000kN/m4时下部结构的一些结论性数据和验算结果。

PZ74墩和61号墩的墩顶系梁在施工过程最不利荷载工况作用下均为偏心受拉作用，其计算结果如表2所列。

表2 墩顶系梁计算结果一览表

经验算，系梁均为大偏心受拉构件，PZ74墩系梁最小截面尺寸的跨中截面极限承载能力[Nd]=778 kN、[Nd·e]=-5 056 kN·m，计算裂缝宽度为0.06 mm；61号墩系梁最小截面尺寸的跨中截面极限承载能力 [Nd]=782 kN、[Nd·e]=-5 045 kN·m，裂缝宽度为0.06 mm；均满足设计规范要求。

由结构分析得到，PZ74墩和61号墩的墩柱，在箱梁落架侧均为偏心受压构件，而另一侧在靠近墩顶部位均出现了拉力；经比较，墩柱最不利截面均为未落架侧的墩底截面，其计算结果及验算如表3所列。

表3 墩柱的最不利内力及验算结果一览表

由表3中的验算结果可以得到，PZ74墩和61号墩的墩柱在承受施工最不利荷载作用下，均能满足设计规范要求；只是61号墩的墩柱配筋比PZ74墩的强得多，所以设计承载能力比较富裕、裂缝宽度也较小。

根据计算分析结果，PZ74墩和61号墩的桩基受力都很不均匀，PZ74墩的单桩未出现上拔力，而61号墩的单桩桩顶出现了负反力，但均能满足承载力的要求。单桩的最不利内力及计算结果如表4所列。

表4 单桩的最不利内力及计算结果一览表

表4中，Nmax、Nmin分别表示单桩桩顶最大、最小轴力（kN），轴力以压为正、拉为负；Mmax表示单桩桩身最大弯矩（kN·m）；裂缝w表示单桩桩身最大裂缝宽度；最大沉降表示按最大轴力作用下的单桩最大沉降计算值。

由表4中的计算结果可以得到：（1）单桩桩身的计算裂缝宽度相对较小，能够满足设计规范的要求；（2）按单桩最大轴力计算得到的单桩最大沉降量较小，桩基在不平衡偏心弯矩作用下的不均匀沉降是可以控制的。

总之，PZ74墩和61号墩的桥墩及桩基在最不利施工荷载作用下的受力是安全的。

4 一些施工措施

由于宁波机场路高架在施工图设计前期阶段并没有考虑桥梁分幅施工的工况，设计难免有不足之处。虽然经过详细的计算分析，分幅施工桥梁下部结构在施工最不利荷载作用下的受力是安全的；但是，理论计算和实际施工存在一定的差别，特别是以V标段61号墩为代表桩基的单桩桩径较大、桩数较小，基础抗偏心弯矩作用的惯性矩较小，单桩桩顶反力分布极不均匀，个别单桩出现了负反力，桩身可能出现的裂缝宽度相对较大，所以应该在施工过程中采取一些有效的措施来保证施工的安全与质量。

针对宁波机场路高架桥梁的分幅施工，由业主、设计院、监理单位、施工方及有关专家等组成一个桥梁分幅施工的技术小组，制订关于桥梁分幅施工、测量、监控、紧急预案及措施的技术方案，一些主要关键点如下所述：

（1）在分幅施工桥梁的中墩承台顶四周单桩中心点处布置沉降测点，在两侧墩柱顶支座中心边线处布置变位测点。

（2）对于类似V标段61号墩的桩基，在单桩桩顶可能出现负反力的位置尽量埋设混凝土或钢筋应变计，量测单桩的应力值作为控制辅助要素。

（3）在一幅箱梁落架后，加强观察承台的沉降量与墩顶的偏位量，注意沉降速率与不均匀沉降量，如果速率接近规范临界点或者不均匀沉降量或墩顶偏位量接近事先达成的限值，则测量及监控人员上报技术小组，由技术小组下指令采取应急措施。

（4）在另一幅箱梁落架后，也要加强观察承台的沉降量与墩顶的偏位量，注意承台不均匀沉降，以及墩顶偏位的变化情况，在施工验收时把相对稳定的承台沉降量及墩顶变位量的记录值移交给养护运营单位，作为之后对结构进行监控的初始依据。