某独柱梁式桥变更处理分析及桩基验算

张文博

（中交第四公路工程局有限公司,北京 100010）

0 引言

近几年，我国匝道桥因超载等问题引起的桥梁独柱墩处侧翻事故时有发生，近年在互通匝道桥设计时，小半径曲线桥往往避免独柱墩，必须采用独柱墩时，一般采取固结形式。同时在桥梁设计施工中，因设计和施工失误发生的事故也偶有发生，产生了难以想象的严重后果，如何补救加固是一个难题。该文选取了一处施工过程中由于坐标错误发生独柱墩偏离原有位置的案例，通过实际分析计算，来探讨遇到此类问题处理方式。

1 背景资料

某互通匝道号桥为（20+30+30+20）m 现浇箱梁，位于R=150 m 的左偏圆曲线上，上跨高速，与高速交角115°，为避免桥墩扎入现有高速公路，2 号墩斜做，且与箱梁横梁固结。如图1。

图1 桥梁立面示意图

箱梁横梁正做，为保证固结面积，此处横梁3 m 宽。

固结墩采用跨径线与路幅中心线交点为中心，旋转到与高速等角度（115°）。

由于施工按照设计线旋转，未按照桥梁中心旋转，使原设计图纸中2#墩与箱梁底不对称。现场桥梁已经施工完毕，桥墩偏移中心1.03 m，偏向曲线内侧。如图2所示。

图2 实际桥墩位置示意图

2 定性分析

桥梁位于R=150 m 圆曲线上，由于曲率影响，梁截面发生竖弯必产生扭转，产生挠曲变形，这种现象被广泛称“弯—扭”耦合作用，通常截面处于弯扭耦合作用时，弯梁截面的主拉应力通常比直梁桥要大很多，会产生扭转变形，且梁曲线外侧的竖向挠度是大于同跨径的直桥的，梁端有可能出现翘曲，梁端横桥向约束较弱时，梁体可能有向弯道外侧移动的趋势。

梁存在较大扭矩，会使梁的外侧超载、内侧卸载甚至脱空，桥面宽度较大时内、外梁的荷载差异更大。由于内、外梁的支点反力有时相差很大，当活载发生偏移时，内梁可能产生负反力。曲线桥外边缘挠度大于内边缘的挠度，曲率半径越小这一趋势越明显，曲线内外的横向温度梯度很小。

曲线梁桥结构设计中，有必要进行全面的整体的空间受力计算分析，对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析。

独柱墩一联长度不大，桥面宽度最好三车道以下，对结构稳定较为有利。

现建立空间模型进行分析，模型建立时，注意以下几点：

（1）根据实际情况建立空间模型，选取六个自由度。

（2）下部墩柱，基础刚度要计入。

（3）荷载注意弯剪扭的空间最不利组合，以及支承反力最不利布载和最不利组合。

（4）倾覆稳定分析注意以下原则：1）以全部荷载支撑体系的抗扭约束可靠性为基础。2）以结构体系被破坏转变为结构体系倾覆原则。3）倾覆破坏必须滞后于结构强度破坏。

具体建模过程略。

3 处置措施

由于此处主梁与墩柱固结，在满足预加力、温度力、制动力、地震力等水平荷载作用下，利用墩柱和基础的纵桥向抗弯刚度和抗弯承载力，增加刚度限制位移，提高桥梁的抗倾覆能力。桥梁审核及设计人员对现场实际情况进行了分析计算，目前已实施完成方案桥梁主梁和墩柱衔接方式比较稳定，但是在长期偏压及不利荷载作用下，耐久性较差，为保证桥梁在长期偏压及不利荷载作用下整体安全、受力平衡，须在已施工完成的承台长度内对桥墩进行适当加宽。

变更方案如下：

（1）在既有墩柱向曲线半径外侧增加一个墩，并使新增墩柱与原墩柱成为一体。

（2）施工完成后，为使新旧桥墩区别不明显，表面涂装装饰，为解决收缩开裂问题可考虑夹克法，力求美观。

（3）桥墩顶底面区域对应的箱梁横梁和桥墩承台钻孔植筋，在现浇箱梁横梁底和桥墩承台顶钻孔时，尽量定位原箱梁承台主筋箍筋位置，可合理移动植入钢筋位置，尽可能不要截断横梁和盖梁钢筋，如图3。

图3 桥墩纵向加固图

（4）新增部分采用钻孔植筋法与原桥墩连接，植筋前对原桥墩连接处进行凿毛处理，如图4。

图4 桥墩横向加固图

（5）依据《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T522—2018）[1]附录A 植筋中A.2.3 条植筋的基本锚固深度计算公式ls=0.2αsptdfy/fbd，计算得出三级钢筋直径28 mm 的锚固深度应为41.1 cm，墩柱植筋深度50 cm 满足要求，补充胶黏剂要求并按照规范计算植筋深度，侧面植筋采用梅花状排布。

此变更方案经专家组审查，方案合理，经济可行，工程量增加较小的情况下能够保证耐久性和安全性。在桥梁设计寿命内对此设计方案负责。

4 桥墩桩基验算

墩柱尺寸增加1.5 m×1.3 m×8.2 m，自重增加，且桩基受偏载作用，新增桥墩处下的桩基桩顶力增加，需要再次验算桩长，确保桩长满足要求。因下部施工已经完成，需对现有结构重新进行桩基验算，已确定桩基是否需要处理。

4.1 桥墩构造

桥墩采用矩形柱式墩，墩柱尺寸为5.0 m（横桥向）×1.3 m（纵桥向）。墩身下接矩形承台，承台尺寸为3.2 m（纵桥向）×8.2 m（横桥向）×2.0 m（厚度），承台下设2 根Φ1.8 m 的钻孔灌注桩。桩基采用C30 水下混凝土。墩身及承台与路线设计中心线交角115°。

图5 桥墩平面布置图

4.2 桩顶反力计算

上部静力计算：结构为（25+30+30+25）m 预应力混凝土现浇箱梁，交角90°，跨越主线桥墩采用115°上部现浇箱梁采用正交布设，箱梁宽度12.25 m，高1.7 m，悬臂长2 m。主桥纵桥向结构静力计算采用桥梁博士进行，按A 类部分预应力构件进行计算。全桥共分为110 个单元，111 个节点。

荷载取值：

（1）一期恒载包括箱梁材料重量。混凝土容重取2.6 t/m3，箱梁按实际断面计取重量。箱梁横隔板以分布力计入。

（2）二期恒载包括护栏和桥面铺装，桥面铺装采用10 cm 沥青混凝土+8 cm 水泥混凝土调平层，沥青混凝土容重为2.4 t/m3，水泥混凝土容重为2.6 t/m3。二期恒载（桥面铺装+护栏）为：6.6 t/m。

可知2#墩处竖向力最大9 430 kN。

（3）活载。公路I 级。采用单梁计算时，设计车道数根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[2]确定。

计算可得：

墩柱处竖向力 5 m×1.5 m×8 m×2 kN/m=1 500 kN

承台处竖向力 8.2 m×3.2 m×2 m×25 kN/m=1 312 kN

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[3]各工况组合下群桩顶的反力如表1 所示。

表1 桩顶反力计算结果

取最不利情况，单桩承载力按照9 846 kN 计算。

将桩顶反力按X 方向（垂直于桩基中心线方向）和Y 方向（平行于桩基中心线方向）分解，各工况组合下群桩顶的反力如表2 所示。

表2 群桩顶反力计算结果

4.3 群桩容许承载力计算

桩长计算依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）[4]，采用群桩计算软件进行计算。

根据钻孔资料可知，该桥桩底持力层为细砂，桩基按摩擦桩计算。经计算，桩基桩长及相应验算结果如表3所示。

表3 桩长计算结果汇总表

4.4 桩身强度、裂缝计算

桩基直径Φ1.8 m，桩身均匀布置51 根直径为28 mm的HRB400 级钢筋。取承台受力最不利单桩进行承载能力极限和正常使用极限计算，结果如表4、表5 所示。

由表4 可知，桩基抗弯和抗压强度满足规范要求。

表4 单桩承载能力极限计算结果

由表5 可知，桩顶位移均小于6 mm，且桩身裂缝计算满足规范要求。

表5 单桩正常使用极限计算结果

因此原结构桩长合理，承载力满足要求，桩基可继续使用，无须增加桩基。

5 结束语

采取上述处理方式，是属于基于现有理论的补救措施，随着理论的发展以及工程实际使用过程中的变化，理论应得到补充和发展，因此应时刻关注此桥墩的实际使用情况，如有变化应进一步研究加固方案。这就更要求工作者在设计施工中务必精准，交出的图纸务必做到再三检测，与施工单位设计交底时重点地方着重交代，施工单位拿到图纸和数据时也要认真复核，遇到问题及时提出，这样能避免更多严重事故的发生。