钢管混凝土桥墩在逆作法施工中的研究与应用

张科峰

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

逆作法于1933年日本首次提出概念，1935年成功应用于东京本社大厦，之后便在美、德、法等国得到了广泛应用。我国对逆作法施工的研究与应用起步较晚，1955年哈尔滨的人防工程中首次提出后，国内工程界便开始对该技术进行了深入的探索与研究。顺作法是由下而上依次施工的，一般需要先做支护，再开挖土方至设计标高，开挖中还需根据情况做临时支撑，然后由底层开始逐层向上施工。逆作法的施工工序正好与之相反，它是一种非常规的新型工法，它的工序是由上至下的，一般先施工支护结构，同时施工支撑柱或桩，以承受上部结构自重及施工荷载，然后由上至下逐层开挖土方至设计标高，并逐层施工地下工程。逆作法具有缩短工期、对周边建筑物影响小、减少施工期临时设施投入、降低工程造价等特点，目前已成为高层建筑、深基坑、地铁站台等地下工程施工中常用的一种比较先进的施工工法。

众所周知，由于钢管对混凝土的套箍作用，使得混凝土三向受压，大大提高了混凝土的承载力，且延性也大为改善。同时，混凝土改善了钢管的局部屈曲，大大提高了钢管的稳定性。此外，钢管在施工中也可作为混凝土浇筑的模板，减少了模板费用。因此，钢管混凝土组合结构发挥了两种材料的特性，特别适合在逆作法施工中使用。

虽然目前逆作法施工的应用已比较广泛和成熟，但在公路交通领域的实际应用还比较少。以山西省内某高速公路项目中一座车行天桥为背景，通过与传统施工在施工工序、结构受力、工程造价等方面进行对比分析，结果表明钢管混凝土桥墩与逆作法施工在该项目中优势明显，在类似项目中应用前景广阔，值得大力推广与应用。

1 项目概况

1.1 桥梁简介

该桥位于临猗县孙吉镇三赵线，为上跨高速主线而设，上部结构采用（22+35+22）m一联的预应力混凝土现浇连续箱梁，下部结构采用柱式台，桩柱一体墩，基础采用钻孔灌注桩基础，桥梁全长86 m。主要技术标准如下：

a）荷载等级 公路Ⅰ级。

b）桥面净宽 1×净（9～9.851）m。

c）地震 动峰值加速度0.15g，特征周期为0.40 s抗震设防烈度Ⅶ度，抗震措施等级偏安全取三级[1]。

d）平面线型 平面分别位于直线和缓和曲线（参数A：48.374，左偏）上。

e）纵断线型 纵断面位于3%的直坡段（下坡）。

1.2 建设条件

a）地形地貌 桥梁处于黄土残塬与冲沟组合区，桥位处地形开阔、地势平坦。

b）水文地质 桥址区地下水主要为松散岩类孔隙水，对混凝土结构、钢筋均具微腐蚀性。

图1 桥梁立面布置图（单位:cm）

c）地层岩性 按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）[2]，桥址区各主要岩土层容许承载力[fa0]及桩周土摩阻力标准值qik如表1。

表1 各主要岩土层力学参数建议值 kPa

d）不良地质与特殊岩土 桥址区不良地质主要为发育的落水洞，该次采用对处于桥梁范围内的洞穴进行挖除处治，同时加强截排水设置，以消除对桥梁的影响。特殊性岩土为Ⅱ级（中等）非自重湿陷性黄土，湿陷深度为9～11.5 m。

e）场地稳定性 桥址区无活动构造，区域稳定性较好，场地类别为Ⅱ类。

2 施工工序

天桥按常规工序，先是施工主线路基，施工完成后再施工桥梁基础及下部结构，完成后再进行支架搭设及上部现浇箱梁的施工。主线一旦开挖，天桥接线必然需要临时中断，中断周期由天桥施工工期决定，因而对地方路网正常通行构成一定影响。

该桥地处临猗县，为著名的苹果之乡，每年苹果成熟期公路上运输车辆多，对地方路网交通需求大。三赵线在桥址区为一条比较重要的地方通道，若因施工临时中断，应做临时保通设计。但根据现场地形、地势，临时改线设计比较困难，且造价很高，经济性差。因此，能否在不中断地方交通或短暂中断的前提下，先施工完成接线桥梁，再开挖施工主线，既不影响地方道路通行也不影响主线施工。

针对上述实际问题，分别按方案1（混凝土桥墩+常规施工）、方案2（钢管混凝土桥墩+逆作法施工）两种方案考虑本桥设计与施工。

表2 方案1主要施工工序

表3 方案2主要施工工序

3 有限元模型

采用Midas Civil有限元分析软件，分别建立计算上部、下部结构模型，按现行规范进行验算。

3.1 上部结构模型

上部结构采用梁格模型，按部分预应力混凝土A类构件设计，上部结构有限元模型见图2。

图2 上部结构有限元模型

3.2 下部结构模型

下部结构墩底约束采用固结，支座采用一般弹性连接模拟盆式支座，支座刚度按支座具体型号计算确定，荷载工况主要考虑以下两种工况：

a）工况1 永久作用+汽车荷载+温度作用+风荷载+汽车制动力。

b）工况2 永久作用+汽车荷载+温度作用+风荷载+支座摩阻力。

静力计算桥墩配筋为避免模型中边界模拟不清引起的误差，采用上部主梁模型内力经组合后验算桥墩，与有限元模型计算结果对比后择优采用。下部结构静力计算有限元模型见图3。

图3 下部结构静力分析模型

3.3 结构抗震分析模型

建立全桥三维空间模型，以反映桥梁结构的刚度、质量和阻尼特性，并考虑边界条件对模型的影响。上、下部结构及桩基均采用空间梁单元模拟，支座采用双折线弹簧单元模拟，其恢复力模型见图4。采用等代土弹簧模拟桩土效应，弹簧刚度k按式（1）计算：

图4 活动盆式支座恢复力模型

式中：a为土层厚度；b1为桩基计算宽度；m为土侧水平抗力系数的比例系数，取m=2m静；Z为各土层距地面距离。混凝土阻尼比取0.05，钢管系梁阻尼比取0.03，钢管混凝土构件根据《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936—2014[3]规定：E1地震作用下分别取0.035、0.04，E2地震作用下取0.05。全桥抗震分析模型见图5。

图5 全桥抗震分析模型

4 静力分析

4.1 上部主梁静力验算

上部主梁采用预应力混凝土现浇箱梁，方案1与方案2对于上部现浇梁而言差别不大，与常见现浇箱梁并无二致，且笔者认为本次研究重点在下部结构，因此上部结构不再赘述，仅列出验算结果。上部现浇箱梁验算结果见图6、图7及表4。

表4 上部主梁持久/短暂状况计算结果表

图6 主梁正截面抗弯承载能力验算结果图形

图7 主梁斜截面抗剪承载能力验算结果图形

4.2 下部结构静力验算

4.2.1 混凝土桥墩+桩基

下部混凝土桥墩采用1.6～1.8 m双柱墩，其一般构造见图8所示。根据最不利工况内力组合设计值，按通规[4]、钢预规[5]要求进行配筋验算。截面配筋大样见图9，桥墩及桩基配筋计算结果见表5。

图8 混凝土桥墩一般构造图（单位：cm）

图9 混凝土桥墩截面配筋大样图

表5 混凝土桥墩及桩基配筋计算结果

4.2.2 钢管混凝土桥墩+桩基

《钢管混凝土结构技术规范》中关于钢管混凝土柱的承载力计算方法主要为：《实心与空心钢管混凝土结构技术规程》CECS 254的统一理论设计法和《钢管混凝土结构技术规程》CECS 28的极限平衡理论设计法，两种方法均可对实心钢管混凝土构件进行设计，在实际工程中均得到了实践应用。按规范条文说明，设计中可按习惯选择其中一种，不必同时采用两种方法进行验算，该次验算采用统一理论设计法，计算公式详见《钢管混凝土结构技术规范》中第5章相关条文。为与混凝土桥墩对比具有一致性，钢管混凝土桥墩也采用1.6～1.8 m双柱墩。钢管采用Q345钢[6],墩身范围不设置钢筋，为加强混凝土与钢管连接，钢管内壁设置剪力钉。钢管混凝土桥墩一般构造见图10，钢管混凝土桥墩断面大样见图11，静力验算结果见表6～表10。

表6 单肢钢管混凝土柱在单一受力状态下承载力计算

表7 单肢钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算

表8 格构式钢管混凝土柱在单一受力状态下承载力计算

表9 格构式钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算

表10 钢管混凝土桥墩桩基配筋计算结果

图10 钢管混凝土桥墩一般构造图（单位：mm）

图11 钢管混凝土桥墩断面大样图

5 抗震分析

地震对于桥梁的破坏是巨大的，但从众多震害调查中发现，桥梁的下部结构和基础在地震中的破坏程度、频率相比上部结构要严重得多，一旦出现受损可能修复难度很大，有的甚至无法修复，因此桥梁的抗震分析也侧重于对下部结构和基础的分析验算。该次主要验算桥墩及桩基在E1地震作用下的强度问题，对于E2作用下的弹塑性分析另行论述。

根据抗震规范，在计算方向上振型质量参与系数应达到90%以上，该次计算模型纵、横向均达到97%以上，方向组合采用SRSS法[7]，振型组合采用CQC法。设计反应加速度谱见图12所示。

图12 设计反应加速度谱

5.1 E1地震作用下混凝土桥墩+桩基

E1地震作用下，结构总体应处于弹性状态，截面抗弯刚度采用毛截面刚度。地震作用与永久效应组合后按偏压构件进行强度验算，验算结果见表11。

表11 混凝土桥墩与桩基强度验算结果

5.2 E1地震作用下钢管混凝土桥墩+桩基

钢管混凝土桥墩在地震作用下采用组合后内力值进行验算，复杂受力状态下偏保守采用最大内力值，且认为其均同时发生在同一截面处。按规范考虑抗震承载力调整系数0.8，验算结果见表12所示。

表12 单肢钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算

表13 格构式钢管混凝土柱在复杂受力状态下承载力计算

6 工程造价分析

该次为受力对比一致，两个方案墩型采用相同尺寸，因此方案2工程材料上优势不大。但从受力计算结果可见，钢管混凝土桥墩富裕度很大，可以进一步优化截面尺寸。为此，笔者采用优化后截面进行了受力验算并均满足规范要求，据此进行工程量对比分析。

从表14可知，钢管混凝土桥墩配合逆作法施工，在造价方面优势明显，节约造价50%以上，具有显著的经济效益。此外，笔者后期经过计算，对钢管混凝土桥墩进行了优化设计，只在墩桩连接段局部设置剪力钉，取消了墩身全范围设置。同时对止浆板增设加劲肋，避免因桩基较长，浇筑混凝土过程中翻浆发生。优化后方便施工的同时降低了工程造价，进一步提高了该墩型的经济性。

表14 全桥桥墩工程造价对比表

7 结语

本文以一座公路车行天桥为例，分别考虑常规正作法混凝土桥墩和逆作法钢管混凝土桥墩两种施工方案，通过对施工工序、结构受力及工程造价等方面进行对比分析，结论表明钢管混凝土桥墩配合逆作法施工具有承载力高、施工方便和工程造价低的优势，在相同或相近项目中具有非常显著的社会效益和经济效益，值得大力推广和应用。但同时也应看到，逆作法对施工控制要求较高，如钢管柱的定位与固定、保证垂直度需要的时时纠偏措施等。该次方案研究的方法和结论，可供同类型项目设计与施工借鉴和参考。