复杂地质条件下斜腿刚构的设计

2014-01-08蒋蓉蓉刘瑞萍

城市道桥与防洪 2014年10期

蒋蓉蓉，刘瑞萍

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 概述

斜腿刚构因其造型美观、结构受力合理、使用材料经济，目前正越来越多的应用于工程实践中。但由于斜腿刚构是多次超静定结构，对温度及基础变位较为敏感；同时，斜腿刚构的受力特性与拱桥有相似之处，会对桥墩（台）产生较大的水平推力。这些不利的因素限制了斜腿刚构的应用范围。目前斜腿刚构大多应用于地基条件较好地区，以及上部荷载较小、跨径不大的人行景观桥梁。

本文结合桂林市临桂新区新龙路桥结构设计，简要介绍该斜腿刚构桥在多种工况下结构的受力特性；评估复杂地质条件下基础变位对结构的影响；选用合理的下部结构形式，使基础变位控制在斜腿刚构能承受的范围内。

2 工程概况

新龙路桥上部结构采用钢筋混凝土斜腿刚构，斜腿刚构跨径41.282 m，斜腿的竖向倾角为40°，主梁总长为56 m，斜腿与主梁交点位置L边/L中＝0.50。桥梁总宽47 m，分三幅设置，沉降缝设置在机非分隔带中间，机动车道部分桥宽25 m，每侧人非部分桥宽11 m，单侧设置挑臂，挑臂长50 cm，见图1。

图1 新龙路桥效果图

主梁中孔采用箱型断面，中跨支点梁高2.2 m，跨中梁高1.0 m，梁底采用圆曲线；顶板厚20 cm，底板厚20～60 cm，腹板厚40 cm。主梁边跨中支点梁高1.2 m，边支点梁高0.6 m，梁底为直线，边跨采用板式断面，见图2。

图2 新龙路桥总体布置图

斜腿亦采用板式断面，下端厚0.6 m，上端厚1.5 m，与中跨和边跨主梁之间分别倒10 m和0.5 m的圆角接顺。

下部结构推荐采用钢筋混凝土肋板式桥台。肋板式桥台的采用可以大大降低混凝土用量，节约工程造价。桩基础可采用冲孔灌注桩基础或人工挖孔桩。

桥梁两侧的塔与拉索为装饰结构，拉索的张拉应力仅用来保证拉索线形，故其张拉力较小，对主体结构影响不大。

3 斜腿刚构结构受力特性分析

采用《桥梁博士3.2》计算软件对新龙路桥作结构静力计算，获得该斜腿刚构在自重、汽车、温度、基础变位等作用下对结构产生的内力及对基础产生的反力数据，分析上述各种作用对整个结构安全和使用性能的影响。

3.1 结构计算参数

本次仅计算两条沉降缝中间25 m宽的机动车道部分。考虑到结构自重对斜腿底部产生较大的弯矩，故在斜腿刚构主体结构施工时，斜腿与基础采用铰接连接，待上部结构变形稳定后将斜腿与基础固结，再施工桥面系后成桥通车。

（1）恒载

一期恒载：钢筋混凝土γ＝26 kN/m3；

二期恒载：C40混凝土80 mm，沥青混凝土100 mm，γ=23～25 kN/m3。

（2）汽车荷载

公路Ⅰ级，6车道，车道折减系数0.55，横向偏载系数1.25；

冲击系数：参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.2条计算。

（3）温度梯度

箱梁日照温差按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条的竖向温度梯度进行计算。

体系升温：30℃ ，体系降温：30℃。

（4）基础变位

暂按两个基础各向外位移1 cm计。

3.2 结构建模及计算

有限元模型见图3、图4，全桥共分为70个单元。

图3 有限元模型

图4 中跨梁单元断面

3.2.1 结构内力计算结果

（1）中跨跨中截面内力计算结果，见表1。

（2）中跨近斜腿根部截面内力计算结果，见表2。

（3）斜腿底部截面内力计算结果，见表3。

3.2.2 斜腿刚构结构安全计算验算

新龙路桥斜腿刚构采用普通钢筋混凝土结构。根据斜腿刚构的受力特性，其中跨和斜腿截面内存有较大的轴力，应按偏心受压构件对结构进行承载能力极限状态强度验算和正常使用阶段裂缝宽度计算。斜腿刚构腹板内配置Φ32的骨架钢筋，其余部分根据弯矩大小配置1～2排Φ28的钢筋，计算结果如下：

（1）承载能力极限状态强度验算，见表4。

（2）正常使用阶段裂缝宽度计算，见表5。

表1 中跨跨中截面内力计算结果

表2 中跨近斜腿根部截面内力计算结果

表3 斜腿底部截面内力计算结果

表5 正常使用阶段裂缝验算结果

根据以上计算结果，斜腿刚构承载能力极限状态强度验算和正常使用阶段裂缝宽度计算均满足设计要求，结构是安全的。

3.2.3 基础对斜腿底部支承反力计算结果（见表6）

表6 结构反力计算结果

通过对新龙路桥上部结构在各种作用下内力及对基础的反力的数据分析，得出以下结论：

（1）斜腿刚构为有推力结构。在自重作用下上部结构对基础所产生的水平力数值较大，甚至会比上部结构对基础的竖向力更大。

（2）由于结构本身自重较大，结构整体性较好，故汽车荷载引起的结构内力所占比重较小。

（3）斜腿刚构是超静定结构，结构整体刚度较大，故结构内力对温度变化较为敏感，温度作用引起的结构内力所占比重较大。

（4）由基础变位，特别是水平向的基础变位对结构内力影响很大，且斜腿刚构本身会对基础产生很大的水平力。故需要采用能够抵抗较大水平力且位移较小的基础结构，以保证结构安全。

4 基础结构设计

根据新龙路桥斜腿刚构上部结构的计算结果，基础需要采用抵抗水平力较好，位移较小的结构。若是将斜腿刚构基础直接嵌固于基岩之中将是一个最优的选择。但是根据勘察报告，拟建工程场地存在不良地质现象，主要表现在：

（1）场地中大部分地段分布有软～流塑粉质粘土③-3，呈软～流塑状态，埋深1.70～6.50 m，厚0.40～1.80 m，强度低，压缩性高。且在ZK1孔近岩面揭示有一土洞，洞顶板埋深6.00 m（相应标高149.94 m），洞高 1.20 m。

（2）钻探深度内揭示有溶洞，遇洞隙率62.5%，线岩溶率16.1%，场地浅层岩溶发育强烈。

另外，场地内地基岩土层种类较多，各土层厚度不一，一般层面坡度较大，并有地层尖灭或缺失，近岩面多发育有软弱土，各岩土层工程特性均有较大差异，因此，场地内地基土属于不均匀地基。

所以，无法直接将斜腿刚构基础嵌固于基岩内，需要考虑采用其他基础结构型式。

4.1 基础结构型式比选

斜腿刚构与拱桥的一些受力特性相似，都属于有推力结构，故斜腿刚构的基础型式也可以借鉴拱桥的基础型式，可以采用扩大基础、整体防滑板基础、竖向群桩基础、斜桩基础。以下是结合当地工程实际，对上述基础型式进行综合比选，见表 7。

表7 基础型式比选

由于新龙路桥桥位处场地基岩埋置深度在10～15 m且上覆软土，故扩大基础无法满足设计要求；同时因为工程场地图层分布不均且有溶洞存在，若采用防滑板基础可能导致混凝土板与地基土接触不均，影响防滑板的受力特性；而且当地对斜桩基础施工经验不足，不容易控制施工质量。故而推荐采用竖向群桩基础。由于桩长并不长，采用群桩基础时桩基的造价占全桥整体造价比重较小，桥梁经济指标控制较好。

4.2 群桩基础计算

新龙路桥下部结构群桩基础的计算主要针对两个方面：（1）群桩基础位移量的控制；（2）群桩基础对水平力的承载能力。

4.2.1 群桩基础用桩量估算及位移控制

根据《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008规定，对于桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩，可根据静载试验结果取地面处水平位移为6 mm（对水平位移敏感的建筑）所对应的荷载的75%为单桩水平承载力特征值。当缺少静载荷试验资料时，可按下列公式估算：

本次设计桩基拟采用Φ1 500 mm钻孔灌注桩，根据地勘报告中桥位处典型的土层及岩层分布情况，计算得单桩水平承载力特征值Rha=683 kN。根据上部结构计算结果，两沉降缝之间25 m宽的桥梁结构斜腿对承台的最大水平推力（标准组合）约为22 000 kN，单侧桥台需要的桩数为 22 000/683=32.2。故暂定单侧桥台使用33根Φ1 500 mm钻孔桩（25 m桥宽范围内）。

为了确定斜腿刚构与下部结构共同作用下基础的实际位移情况，笔者采用Midas Civil有限元分析软件，对结构进行整体受力分析，见图5、图6。

图5 Midas三维计算模型

图6 自重作用下水平位移示意图

根据Midas模型计算结果，该斜腿刚构在自重、汽车、温度等作用下，其下部结构承台的水平位移见表8。

表8 基础水平位移量计算结果

通过对Midas计算结果的数据分析，可以证明25 m桥宽范围内，单侧桥台使用33根Φ1 500 mm钻孔桩，结构基础的最大变位控制在6 mm左右，满足基础的刚度要求。对于结构基础水平变位影响最大的因素是结构自重，因此可以认为，基础水平变位绝大部分是在施工阶段斜腿刚构脱模落架的过程中完成的，而桥梁运营阶段所产生的基础水平变位较小。

4.2.2 桩基承载能力验算

对于群桩基础，若地基土层、岩层分布均匀，各桩桩长一致，则各桩平均分配上部结构够传递给基础的水平力；若地基土层、岩层分布不均，各桩桩长不一，则各桩桩顶抗推刚度不同，导致各桩分配到的水平力不同。其中短桩刚度较大，所承受的荷载（包括水平力和弯矩）较大。

根据新龙路桥勘察资料，该桥位处基岩起伏较大，分布不均，且岩溶发育。因此各桩采用不同的桩长来保证每一根桩都进入基岩一定深度。这就引起其中较短的桩承受较大的荷载。

采用桥博基础版计算软件，建立新龙路桥25 m桥宽范围内基础模型，各桩根据地质实际情况采用不同的桩长和不同的不同的地层分布进行详细计算，本文仅列出简要的计算结果。

桩长、桩位布置见图7、图8。单桩截面承载力及裂缝最不利验算结果见表9、表10。