鋁合金人行天橋下部基礎(chǔ)快速化施工研究

蔣仕持

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋁合金人行天橋經(jīng)過(guò)最近10 多年的發(fā)展，已逐漸成為市政工程人行天橋中的一個(gè)新的分支。在這一發(fā)展過(guò)程中，已有不少專(zhuān)家和學(xué)者采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法充分研究了該結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能，為鋁合金人行天橋上部結(jié)構(gòu)的研究和進(jìn)一步創(chuàng)新提供方向上的指導(dǎo)，為工程實(shí)踐提供了重要的參考依據(jù)[1]。目前已有的工程實(shí)踐中，鋁合金人行天橋上部結(jié)構(gòu)的施工多采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，但下部基礎(chǔ)仍采用傳統(tǒng)的鉆/ 挖孔樁或現(xiàn)澆擴(kuò)大基礎(chǔ)等，導(dǎo)致全橋施工周期依然較長(zhǎng)，無(wú)法充分發(fā)揮和體現(xiàn)鋁合金人行天橋快速化施工的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)人行天橋下部基礎(chǔ)快速化施工相關(guān)的研究較少，本文將結(jié)合鋁合金人行天橋的特點(diǎn)，研究天橋下部結(jié)構(gòu)快速化施工的方案。

傳統(tǒng)人行橋下部基礎(chǔ)一般采用混凝土/ 鋼立柱+ 現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)/ 擴(kuò)大基礎(chǔ)形式。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)持力層埋深較淺且基礎(chǔ)可利用場(chǎng)地較大時(shí)，優(yōu)先采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；當(dāng)持力層埋深較深或障礙物（如市政管網(wǎng)）較多導(dǎo)致可利用場(chǎng)地很小時(shí)，優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。本文選用了兩種跨徑的桁架式鋁合金人行天橋進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬定樁基礎(chǔ)方案和擴(kuò)大基礎(chǔ)方案的主要尺寸規(guī)格，并提出對(duì)應(yīng)的快速化施工方案。

1 算例概況

1.1 算例一

根據(jù)我院設(shè)計(jì)的人行天橋跨徑大多為雙向6 車(chē)道+ 中央分隔帶，因此該算例采用兩跨18.4 m+18.4 m布置形式，桁架高度2.0 m，全橋?qū)挾?.716 m。采用Midas Civil 建立空間桿系模型，見(jiàn)圖1。

圖1 18.4 m+18.4 m 桁架梁空間桿系模型

1.2 算例二

算例二采用某單跨52 m 鋁合金桁架人行天橋，跨中桁架高度4.8 m，全橋?qū)挾?.85 m。采用Midas Civil 建立空間桿系模型，見(jiàn)圖2。

圖2 單跨52m 桁架梁空間桿系模型

永久荷載包括橋梁自重、橋面鋪裝、欄桿、各種橋上設(shè)施等；活載考慮人群荷載，系統(tǒng)升溫取46℃，降溫取46℃，結(jié)構(gòu)沉降取1/3 000L（L 為橋梁跨徑），風(fēng)荷載采用10 年風(fēng)，風(fēng)速為26.0 m/s，支座采用球鋼支座。由計(jì)算模型提取出的上部反力（單支座反力）見(jiàn)表1。

表1 算例上部結(jié)構(gòu)反力

2 樁基礎(chǔ)方案

2.1 樁基礎(chǔ)尺寸

考慮每個(gè)支座下設(shè)置一根立柱和一根樁，同時(shí)為合理分配橫向水平力，在墩頂處用構(gòu)件將兩立柱連接，僅傳遞水平力。按表1 的反力并考慮基礎(chǔ)自重，基礎(chǔ)按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）[2]、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）[3]進(jìn)行計(jì)算，得出基礎(chǔ)采用各種樁徑下所需樁長(zhǎng)，見(jiàn)表2。其中，橋墩采用鋼立柱（內(nèi)灌注混凝土），土層考慮為單一土層，qik=30 kPa，fa0=150 kPa，k2=1.5，γ2=18 kN/m3。

表2 各種樁徑下樁長(zhǎng) 單位：m

按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算出各種樁徑下普通鋼筋混凝土樁配筋率，見(jiàn)表3。其中，活動(dòng)支座處水平力考慮摩擦力，摩擦系數(shù)取0.05。

表3 各種樁徑下樁基配筋率

從計(jì)算結(jié)果可知，鋁合金人行天橋由于自重輕，樁基承載力需求不大，樁長(zhǎng)和樁徑都較小，對(duì)樁身強(qiáng)度要求也不高。同時(shí)考慮到上部結(jié)構(gòu)較輕，地震作用下，下部基礎(chǔ)的抗震需求也相對(duì)較小，故可采用預(yù)制樁代替灌注樁來(lái)減少下部結(jié)構(gòu)的施工工期。

2.2 樁基礎(chǔ)快速化施工方案

2.2.1 預(yù)制管樁概況與施工方案

目前，國(guó)內(nèi)預(yù)制樁主要分為鋼筋混凝土預(yù)制方樁/ 管樁（RC 樁）、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC 樁、PHC樁、PRC 樁等）、鋼樁（鋼管樁、H 型樁及其他異型鋼樁） 等。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在我國(guó)的生產(chǎn)和應(yīng)用十分廣泛，早在2010 年，我國(guó)管樁的年生產(chǎn)量已超3 億m[4]。管樁的標(biāo)準(zhǔn)化工作也有很大的發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)有各類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有30多部，設(shè)計(jì)可參考的規(guī)范和圖集主要為《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（GB 13476—2009）[5]、《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 406—2017）[6]、《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》（10G409）[7]和各地方標(biāo)準(zhǔn)等?？紤]到預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的技術(shù)成熟性和鋁合金天橋的特點(diǎn)，本文預(yù)制樁采用PC 樁。

采用預(yù)制樁的天橋基礎(chǔ)快速化施工方案如下：

（1）工廠預(yù)制PC 樁。

（2）運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

（3）通過(guò)錘擊法、靜力壓樁法、振動(dòng)法和水沖法等沉樁。

（4）預(yù)制并運(yùn)輸鋼立柱。

（5）通過(guò)焊接、法蘭連接、機(jī)械連接等方法將樁與鋼柱結(jié)合。

完成以上步驟即可施工上部結(jié)構(gòu)。這比普通灌注樁基礎(chǔ)可大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。

2.2.2 樁柱連接方式與P C 樁優(yōu)缺點(diǎn)

PC 樁和立柱的預(yù)制、安裝較為成熟，本文主要研究預(yù)制樁與鋼柱連接的細(xì)部構(gòu)造。

鋼立柱直徑和PC 樁相同時(shí)，推薦采用焊接法連接樁和立柱，即在鋼柱底部焊接法蘭盤(pán)，鋼柱底部?jī)?nèi)側(cè)焊接柱腳加勁，將柱底法蘭同樁的端板焊接，保證接頭連接強(qiáng)度不小于樁身強(qiáng)度。連接構(gòu)造如圖3 所示。

圖3 樁柱焊接接頭平面及細(xì)部構(gòu)造

樁徑較小的樁基（d≤600 mm）可以采用機(jī)械齒合接頭連接。此種方法更加快速，施工時(shí)直接將鋼立柱底部的連接銷(xiāo)插入樁頂連接槽即可完成連接，可用于上下樓梯處立柱與樁基的連接。連接構(gòu)造如圖4所示。

圖4 樁柱機(jī)械齒合平面及細(xì)部構(gòu)造

大直徑PC 樁與不等直徑鋼柱連接，可以采用螺栓連接，即預(yù)制前在樁內(nèi)預(yù)埋螺栓并在端板開(kāi)孔（或采用比樁徑大的端板并在樁身外側(cè)處打孔，無(wú)須預(yù)埋螺栓），鋼柱底部焊接與之匹配的法蘭盤(pán)和柱腳加勁板，通過(guò)螺栓將立柱和樁基連接。后續(xù)可用包封混凝土包裹法蘭，避免螺栓松動(dòng)和銹蝕。連接構(gòu)造如圖5 所示。

圖5 樁柱螺栓接頭平面及細(xì)部構(gòu)造

另外，需采用群樁基礎(chǔ)時(shí)，可在預(yù)制承臺(tái)上預(yù)留后澆洞。PC 樁端板上焊接連接鋼板，然后連接鋼板上焊接鋼筋，鋼筋與預(yù)制承臺(tái)連接通過(guò)后澆混凝土進(jìn)行連接。

采用PC 樁代替灌注樁主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）樁身強(qiáng)度高、抗裂性能好，一般情況下比采用灌注樁更經(jīng)濟(jì)。

（2）成樁質(zhì)量好，由于其在工廠預(yù)制，樁身質(zhì)量有保障。

（3）運(yùn)輸、吊裝和沉樁方便，施工工期大大降低。由于鋁合金天橋質(zhì)量輕，樁長(zhǎng)、樁徑都較小，便于運(yùn)輸和安裝。

（4）環(huán)境友好，施工中無(wú)沙石、水泥，無(wú)泥漿污染，施工場(chǎng)地需求小。

PC 樁的缺點(diǎn)主要如下：

（1）施工水平要求相對(duì)較高，施工不當(dāng)易造成樁身破碎、傾斜、折斷等。

（2）對(duì)周?chē)缆?、管線等影響較大。由于PC 樁沉樁時(shí)樁周土體被擠密，容易使周?chē)馏w水平移動(dòng)或豎向隆起，可通過(guò)采用“引孔法”緩解此問(wèn)題。

（3）由于截面減小導(dǎo)致抗剪承載力減弱。

3 擴(kuò)大基礎(chǔ)方案

3.1 擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸

擴(kuò)大基礎(chǔ)按每一個(gè)立柱對(duì)應(yīng)一個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)、橫向兩個(gè)立柱共用一個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種方案進(jìn)行計(jì)算。城市天橋一般縱橋向尺寸受限，故單基礎(chǔ)平面采用方形、矩形兩種。按表1 的反力并考慮基礎(chǔ)自重，計(jì)算出各種擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸（見(jiàn)表4）。其中，基礎(chǔ)埋深取1.5 m，立柱高度取5.5 m，基礎(chǔ)高度取1.0 m，并做成階梯狀（階梯高度0.5 m，上層尺寸比下層小0.6 m），fa0按100 kPa 和150 kPa 分別計(jì)算，k1=0，k2=1.5，γ1=γ2=18 kN/m3。

表4 擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸（橫橋向×順橋向） 單位：m

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）地基承載力為100 kPa 時(shí)，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸受地基承載力控制；地基承載力為150 kPa 時(shí)，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸受合力偏心矩控制。

（2）由于基礎(chǔ)彎矩主要由橫向風(fēng)荷載產(chǎn)生，加大橫向尺寸可稍微減小基礎(chǔ)面積，合并基礎(chǔ)也可減小基礎(chǔ)總面積。

（3）由于鋁合金天橋自重輕，擴(kuò)大基礎(chǔ)底易出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致基礎(chǔ)尺寸需求較大而地基承載力需求不大。對(duì)于大跨徑鋁合金天橋，不推薦采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

3.2 擴(kuò)大基礎(chǔ)快速化施工方案

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，在地基承載力fa0不小于150 kPa 時(shí)，鋁合金人行天橋擴(kuò)大基礎(chǔ)短邊尺寸基本可以控制在3.0 m 以內(nèi)；重量在30 t 以下，天橋擴(kuò)大基礎(chǔ)基本可以通過(guò)公路運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

因此，對(duì)鋁合金人行天橋采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方案時(shí)的快速化施工方案如下：

（1）根據(jù)地質(zhì)條件選擇適當(dāng)?shù)某至?。?dāng)持力層地基承載力fa0太小導(dǎo)致基礎(chǔ)尺寸過(guò)大時(shí)，通過(guò)合適的地基處理、加固措施提高承載力。

（2）預(yù)制場(chǎng)預(yù)制擴(kuò)大基礎(chǔ)并預(yù)埋法蘭盤(pán)和螺栓。

（3）基坑開(kāi)挖、基礎(chǔ)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)并吊裝。

（4）預(yù)制并運(yùn)輸鋼立柱。

（5）基礎(chǔ)和立柱通過(guò)螺栓連接并回填基坑。

完成以上步驟即可施工上部結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)澆擴(kuò)大基礎(chǔ)，可大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。鋼立柱與預(yù)制擴(kuò)大基礎(chǔ)連接示意如圖6 所示。

圖6 鋼立柱與預(yù)制擴(kuò)大基礎(chǔ)連接示意

上述施工方案中制約現(xiàn)場(chǎng)施工工期的主要是地基處理的工期，本文推薦采用下述較為快速的地基處理方法。

地基處理的基本方法一般有置換、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋等。一般來(lái)說(shuō)，換土墊層法操作簡(jiǎn)單，成本較低，速度快，適用性強(qiáng)，可作為擴(kuò)大基礎(chǔ)軟弱地基處理的首選方案。但其只適合處理3 m 范圍內(nèi)的換土墊層，換土厚度越大，造價(jià)成本越高，也不適合處理地下水位高、滲透性強(qiáng)的地基。因此，當(dāng)基礎(chǔ)底部軟弱土層層底埋深較淺時(shí)（＜4 m），推薦采用換填法進(jìn)行地基處理。

當(dāng)軟弱土層層底埋深較深時(shí)（4～8 m），推薦采用預(yù)制樁進(jìn)行加固。預(yù)制樁樁體采用邊長(zhǎng)150～300 mm 的鋼筋混凝土方樁，現(xiàn)場(chǎng)直接打入至持力層，然后鋪設(shè)褥墊層。此方法操作簡(jiǎn)單、速度較快、適用性較強(qiáng)。而對(duì)于軟弱層層底埋深過(guò)深時(shí)，不推薦采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合鋁合金人行天橋的特點(diǎn)，按兩種跨徑的桁架式鋁合金人行天橋分別計(jì)算出下部基礎(chǔ)的大致尺寸，并分別提出了采用樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的快速化施工方案。相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆樁基礎(chǔ)/ 擴(kuò)大基礎(chǔ)方案，可大大縮短現(xiàn)場(chǎng)施工的工期。對(duì)于PC 樁與立柱的連接提出了三種連接構(gòu)造，對(duì)于擴(kuò)大基礎(chǔ)地基處理推薦了較為快速的處理方案，可為鋁合金人行天橋下部基礎(chǔ)快速化施工提供參考。