钢管混凝土桥墩在逆作法施工中的应用

2022-11-20靳建科

交通世界 2022年25期

靳建科

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

钢管对混凝土有一定套箍作用，能使混凝土实现三向受压，从而提升混凝土结构承载力，并改善延展性。此外，钢管还能作为模板施工，减少模板材料与支设方面的费用。逆作法在建筑领域的应用较多，在交通建设领域的应用尚少，而将钢管混凝土与逆作法结合，可表现出显著的技术优势。

1 逆作法优缺点

逆作法是指采用地连墙作为基坑支护同时作为地下室外墙，此时可同时向上与向下施工，从该方法施工特点可以看出，其主要意义在于减小基坑变形，降低深基坑开挖可能给周边环境造成的不利影响，并能缩短工程的工期，从而取得良好的综合效益。

逆作法与顺作法的主要区别在于：

（2）解决支撑布置方面的问题。因支撑体系主要由工程结构承担，因此对平面形状较为特殊的支撑体系，除了能保证结构受力合理，还能取代一部分支撑。通过对工程结构和基坑支护结构的结合，保证地下部分面积[1]。

（3）有利于缩短工程工期。按逆作法施工时，可能是地上和地下施工一同进行，如此，上部结构施工基本不占用工期，如果为软土地质，则一般能缩短三个月左右的总工期。

（4）经济效益显著。如前所述，按逆作法施工时，地下结构通常与基础结构为一体，大部分支撑体系都能采用地下结构代替，因此能减少大量支撑设施方面的费用，相较于传统施工方法，能大幅减少直接工程费。此外，缩短工期也能间接起到提高经济效益的作用。

（5）施工方案与工程设计之间的关系十分密切。采用逆作法施工时，所有工况都会对工程结构实际受力状态造成直接影响，因此，在工程设计过程中必须充分考虑施工中可能遇到的各类工况，设计单位必须加强与施工单位之间的联系与配合。

2 桩基逆作法

在桥梁工程中，桩基础是一种最常用也是最经济的基础类型，不仅施工方便，而且造价较低、基础沉降较小。在传统的桩基础施工过程中，通常为先施工桩，再进行承台浇筑，然后对上部结构进行施工。即便是承台和土体直接接触的桩基础，因桥梁控制较为严格且受到冲刷作用，很少考虑承台下部地基土对结构受力的贡献。然而，对承载力良好、冲刷作用响度较小而工后沉降相对较大的地层，按逆作法施工复合基础，除了能减少工程造价、缩短工期，还能对工后沉降予以有效控制，提高基础施工安全性，减少环境污染。

桩基逆作法是指考虑桩体和土体之间的共同作用，先由天然地基承受桥梁上部结构局部荷载，再实施桩基施工。采用该方法能促进土体固结沉降，通过在施工中完成部分沉降来减少施工完成后的土体沉降，进而从根本上保证结构使用过程中的安全性[2]。

3 逆作法施工工艺

逆作法工艺主要具有以下几方面特点：

（1）大规模施工过程中，可同时开展地上与地下结构施工，进而大幅缩短工程的工期。

印象里我早下课机会多些，饥肠辘辘一溜小跑凑到摊子前选好串儿，付好钱，看着老板娘用双长长的竹筷熟练地在油锅里给串儿翻面，然后捞出来扯一段纸巾包裹着竹扦下半段以防手上蹭了油，浸好调料，递到我手中。我两手翘着兰花指各捏着一份冒着热气的炸串儿笑着和老板娘说谢谢，再饿也忍住不吃，非要跑去和朋友约好的老地方等两人碰了头一起开动。

（2）将地下结构作为基坑的围护结构，防止围护结构产生变形，减少基坑施工给附近其他建筑造成的不利影响。

（3）将地面层结构施工完成后，可对地下部分开始施工，能减少环境因素给土方施工造成的影响，减少土方开挖施工在总工期中的占比[3]。

采用逆作法施工时，往往要具备下列两方面要素：

（1）围护结构应为永久性的，且作为主体结构体系受力结构，同时在内部施工过程中加以内衬，以形成一个完整的受力结构。

（2）基础形式应为一桩一柱，在箱形基础施工完成前，上部结构和地下部分结构自身重量均有桩柱承担。

逆作法包含很多施工方法，不同施工方法的步骤也不同，因此有必要明确不同施工方法对应的施工步骤。

全逆作法施工步骤为：①将地下结构作为围护结构；②桩基施工完成后进行地下结构施工；③临时支柱与其基础应处在柱结构截面中心；④地下结构采用边梁与周围围护结构相连，形成可靠水平内支撑；⑤将地下土方挖除；⑥第二道水平方向内支撑施工方式和第一道相同；⑦将地下土方挖除[4]。

半逆作法施工步骤为：①围护结构包含两种形式，即地连墙与排桩；②桩基施工完成后，以此为基础进行地下结构施工；③临时立柱与它的基础应处在柱结构截面中心；④地下结构采用支模方式浇筑，交叉点上的结构需支承于临时立柱上，并通过和边梁之间的连接，形成第一道水平方向内支撑；⑤将地下土方挖除；⑥第二道水平方向内支撑施工方法和第一道相同；⑦挖除第二层土方。

部分逆作法施工步骤为：①排桩或地连墙均在周围展开施工；②土方开挖施工各种，应保留边跨部位土方暂时不予开挖，为围护桩提供可靠临时支撑；③施工柱基础；④施工柱结构；⑤结构混凝土浇筑，通过围护桩之间的结合形成水平方向支撑；⑥其他结构浇筑。

分层逆作法施工步骤为：①先对中间支承柱与基础进行施工；②在基坑周围5～8m进行土方开挖施工；③进行土钉墙与喷锚施工；④进行必要的防水层施工；⑤采用支模的方法进行混凝土结构浇筑施工；⑥土方全面开挖；⑦其他结构浇筑；⑧第二层土方开挖；⑨土钉墙及喷锚施工。在土质相对良好的情况下，该方法有很多实例，但要注意防水施工质量与结构连接。实践表明，该方法的应用能减少工程成本与造价，并能加快工程进度。

4 钢管混凝土逆作法施工

某桥梁按照常规施工工序先对主线路基进行施工，然后再对桥梁的基础与下部结构进行施工，之后进行支架的搭设和上部结构施工。主线开挖之后，难免会使接线出现临时中断，具体的中断周期和施工工期有关，进而给地方路网造成一定程度的影响[5]。

该桥梁所在地区盛产水果，每年水果成熟季节，道路上的运输车辆明显增多，给地方路网提出了很高要求。该桥梁作为所在地区的重要通道，如果由于施工而产生临时中断，则要做好临时性的保通方案设计。但从现场地形地势看，临时改线基本无法实现，工程造价极高，整体经济性差。基于此，必须在避免中断交通的情况下先对接线桥梁进行施工，然后对主线进行开挖施工，避免给地方道路通行与主线施工造成影响。

针对以上具体问题，初步制定了以下两套施工方案：

方案一：混凝土桥墩+常规施工，其具体施工工序为：①先进行改线设计，修筑临时通道；②对主线路基进行开挖，即开始施工主线；③待主线路基施工完成后进行场地平整和标高复测，经复测确认坐标无误后，开始对桥梁的基础与下部结构进行施工；④进行场地平整与硬化，然后搭设临时支架，并做好支架的预压与检查验收；⑤模板支设、钢筋绑扎、浇筑箱梁混凝土，在箱梁混凝土实际强度满足设计要求后，开始预应力张拉施工；⑥待上部主梁结构施工完成后将临时支架拆除，对桥面系与其各类附属构件进行施工，对桥位所处主线范围内的路基边坡予以防护。

方案二：钢管混凝土桥墩+逆作法施工，其具体施工工序为：①场地平整与标高复测，经复测确认坐标准确无误后做好桩位现场放样，做好相应的标记，以此为之后的基础施工做好各项准备工作；②桩基与桥墩施工，直到设计要求的标高，同时对成型的墩身、墩台及桩头予以临时防护；③做好场地平整与硬化，充分利用现有的地层制作“土牛”，并对箱梁结构的模板进行搭设，绑扎结构钢筋，然后进行混凝土浇筑，在浇筑的混凝土实际强度符合要求后，开始预应力张拉施工；④上部主梁施工结束后将临时支架拆除，对其他下部结构及桥面系和各类附属构件进行施工；⑤在接线保持畅通的情况下对主线路基进行开挖施工，并对桥位范围内的主线路基边坡予以临时防护。

5 静力验算与分析

5.1 上部结构

上部结构为预应力混凝土现浇箱梁，以上两套方案在上部结构方面没有明显差别，与常规现浇箱梁基本相同，其主要验算结果为：持久状况应力验算：混凝土最大压应力为-15.51MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值50%，即-16.2MPa，计算结果满足要求；预应力筋最大拉应力为1 184kN，规范限值为轴心抗拉强度标准值65%，即1 209kN，计算结果满足要求；混凝土最大主压应力为-15.52MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值60%，即-19.44MPa，计算结果满足要求。短暂状况应力验算：混凝土最大压应力为-12.16MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即-18.144MPa，计算结果满足要求；混凝土最大拉应力为1.28MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即1.855MPa，计算结果满足要求。正常使用状况下抗裂验算：频遇值组合最大拉应力为1.24MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值70%，即1.855MPa，计算结果满足要求；频遇值组合最大主拉应力为1.28MPa，规范限值为轴心抗压强度标准值50%，即1.325MPa，计算结果满足要求；准永久值组合最大拉应力为-0.60MPa，规范限值为0，计算结果满足要求[6]。

5.2 下部结构

（1）方案一：下部结构桥墩为双柱墩，按最不利条件下内力组合设计实施配筋验算，配筋计算结果为：桥墩：直径为160cm，组合Ⅰ：轴力N为6 850kN，弯矩M为4 816kN·m，配筋为36C28，综合轴力NR为7 665kN，综合弯矩MR为5 389kN·m，裂缝宽度为0.05mm，安全度为1.12；组合Ⅱ：N为6 696kN，M为4 678kN·m，配筋为36C28，NR为7 710kN，MR为5 387kN·m，裂缝宽度为0.12mm，安全度为1.15。桩基：直径为180cm，组合Ⅰ：N为7 009kN，M为5 569kN·m，配筋为36C28，NR为10 627kN，MR为8 444kN·m，裂缝宽度为0.05mm，安全度为1.52；组合Ⅱ：N为6 855kN，M为5 409kN·m，配筋为36C28，NR为10 711kN，MR为8 451kN·m，裂缝宽度为0.12mm，安全度为1.56。

（2）方案二：钢管混凝土承载力计算主要采用以下两种方法：统一理论设计法与极限平衡理论设计法，一般情况下无需采用两种方法来验算，本次选择统一理论设计法进行验算。为保证对比的一致性，该方案桥墩也为双柱墩[7]。钢管的材质为Q345钢，在墩身范围内不布置钢筋，但为了保证钢管和混凝土之间的连接强度，在钢管的内壁进行剪力钉设置。单肢钢管混凝土柱在单一受力状态下的承载力计算结果为：组合Ⅰ：短柱轴心受压承载力为70 893kN，设计值为6 935kN，计算结果满足设计要求；轴心受拉承载力为29 484kN；受剪承载力为29 441kN，设计值为301kN，计算结果满足设计要求；受扭承载力为16 586kN·m；受弯承载力为17 014kN·m，设计值为4 816kN·m，计算结果满足设计要求；轴向受压稳定承载力为50 295kN，设计值为6 935kN，计算结果满足设计要求。组合Ⅱ：短柱轴心受压承载力为70 893kN，设计值为6 781kN，计算结果满足设计要求；轴心受拉承载力为29 484kN；受剪承载力为29 441kN，设计值为292kN，计算结果满足设计要求；受扭承载力为16 586kN·m；受弯承载力为17 014kN·m，设计值为4 678kN·m，计算结果满足设计要求；轴向受压稳定承载力为50 295kN，设计值为6 781kN，计算结果满足设计要求。单肢钢管混凝土柱在复杂受力条件下的承载力计算结果为：组合Ⅰ：压、弯、剪、扭共同作用下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.232、0.225，满足要求；压、弯共同作用条件下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.225 8、0.221，满足要求。组合Ⅱ：压、弯、剪、扭共同作用条件下的承载力为，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.225、0.218，满足要求；压、弯共同作用下的承载力为1，不考虑混凝土收缩与考虑混凝土收缩时的设计值分别为0.221、0.214，满足要求[8]。