一种预应力混凝土管桩在桥梁基础中的应用

摘要：某中桥结合现场地质情况成功将原设计钻孔灌注桩变更为采用高强度预应力混凝土管桩（PHC管桩）作为下部结构基础。文章结合该工程实例，对设计、施工、检测方法进行了阐述，同时荷载试验结果论证了预应力管桩在滨海相深厚软土地基中作为中小桥梁基础的适用性及可靠性。

关键词：桥梁基础；预应力；混凝土管桩；桥梁设计；灌注桩基础 文献标识码：A

中图分类号：U443 文章编号：1009-2374（2017）02-0090-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.043

1 桥梁概况

某中桥桥位区属海积平原，地表水体以运盐河、送水道为主，与海水贯通。桥位地基土多分布软土层，不宜直接作为基础持力层。桥梁设计方案中，上部结构采用3×20m简支预应力混凝土空心板，桥面连续，下部结构原设计采用钻孔灌注桩基础，后调整设计采用三柱式墩+承台连接高强度预应力混凝土管桩基础，PHCΦ800mmB型管桩基础，壁厚130mm；双排桩台，高强度预应力混凝土管桩基础（下文简称“管桩基础”），桥梁全长66.12m。

2 管桩基础设计阐述

普通管桩基础在我国应用始于1957年10月建成通车的万里长江第一桥——武汉长江大桥，继而在京广铁路郑州黄河大桥、川黔铁路重庆白沙沱大桥、京九铁路南昌赣江桥及南京长江大桥等许多大桥中应用。本次中桥采用高强度预应力混凝土管桩基础，作为轴压构件使用。出于安全考虑，设计计算时考虑了足够的设计余量，经计算桥墩处桩顶反力1834.9kN，按m法计算桩长48m时，桩基承载力富余11%；桥台处桩顶反力1248kN，按m法计算桩长44m时，桩基承载力富余20%。

3 管桩基础施工阐述

根据现场具体的土质和土层情况、沉桩能量要求、周围建筑物及环境状况、打桩设备进出条件等，中桥管桩基础选择锤击法施工。打桩机械选用三点支撑履带自行式打桩机，打桩锤选用筒式柴油锤。在正式施工前打试桩，通过桩的试打确定施工工艺的合理性、压桩设备的可用性以及验证设计、地质情况等。选取位置、地质条件及其管桩规格、长度具有代表性的试打桩，试桩选取在工程地质勘探孔附近，试打桩施打工艺与工程桩施工一致（图3）。管桩的接长采用桩顶端板圆周坡口槽焊接连接法。管桩与承台连接采用桩顶填芯混凝土中埋设连接钢筋的方式。成桩质量检测包括桩身垂直度、截桩后桩顶标高、桩顶平面位置、桩身完整性、单桩承载力等。成桩的单桩竖向承载力检测，采用竖向静载荷试验法或采用高应变动测法。采用竖向静载荷试验法来检测成桩的竖向承载力时，静载检测桩数量不少于整个工程的工程桩总数量的1%，且不少于3根；用高应变动测法检测成桩的单桩竖向承载力时，与检测桩身完整性同时进行。

4 成桥阶段荷载试验阐述

4.1 目的

本次荷载试验的目的主要包括：验证中桥下部结构基础的设计理论和设计方法，为预应力混凝土管桩应用于中小桥下部结构的建设积累技术经验；检验中桥的设计和施工质量，为评定工程质量优劣提供主要技术资料和判定依据；检验中桥的受力性能和正常使用承载能力是否符合设计及规范要求。

4.2 测试内容及截面布置

本次荷载试验针对该中桥上、下部结构同时进行，下文中仅对下部结构静力荷载试验进行阐述。试验前利用桥梁结构分析专用程序Midas/Civil对该桥进行结构计算分析，计算时按照设计标准采用公路-I级荷载加载，按3车道布载，同时按照规范取横向折减系数，最终根据包络图确定各控制截面实际位置（图4）。本桥下部结构静力荷载试验测试内容主要包括：左右幅1#、2#桥墩水平位移、竖向位移、立柱应力。本次试验在盖梁底、立柱柱身位置分别布设百分表和应变传感器完成相关数据采集工作（图5）。

4.3 试验荷载确定

为了保证荷载试验的效果，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）要求确定控制荷载，在选择试验荷载的大小和加载位置时采用静载试验效率进行控制。本次静力荷载试验采用重约35t的三轴载重汽车进行加载，加载车型如图6所示。本桥桥墩荷载效率系数为0.92（设计荷载：1316kN，试验荷载：1211kN）。试验之前控制加载车加载吨位，对加载车辆进行过磅称重，所采用的加载车实际重量分别为35.3吨、34.7吨、34.9吨、36.0吨。

4.4 加载形式与控制

试验荷载加载有两种形式：一是沿桥跨方向加载；二是垂直于桥跨方向加载。同时，为了加载安全和了解结构应力和变形随着荷载增加的变化关系，桥梁静载试验的各荷载工况按照要求分级加载完成，并在正式加载前进行桥梁预压。试验现场桥面对称加载如图7所示：

4.5 成果整理与分析

4.5.1 承载能力评定方法。按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011），经过荷载试验的桥梁，根据整理的试验资料，分析结构的工作状况，进一步评定桥梁承载能力和桥梁概况。结构性能评定根据如下：一是按施工图进行计算得到的理论检算值；二是按规范规定的挠度、强度和裂缝容许值。本次试验结果结合结构的具体情况，从校验系数、实测值和理论值的关系曲线、相对残余变位（应变）、结构刚度要求对结构进行最终评定。

4.5.2 成果整理与分析。

第一，位移数据分析。位移数据以左幅桥1#墩为例，桥墩水平位移变化以大桩号方向为正，竖向位移变化向下为负。

第二，应力数据分析。应力数据以左幅桥1#墩为例，应力以拉为正，以压为负。

4.5.3 静力荷载试验结果。本桥在试验荷载作用下，下部结构刚度、强度均满足设计要求，在水平方向未发现水平位移，各测试截面应力变化趋势处于线弹性状态；位移測试控制截面量测的相对残余变形均满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第8.2.2条的要求，表明卸载之后结构的变形能够及时恢复，结构处于弹性工作状态。

5 结论

建成后的管桩基础，受力状况与同类型的桩基础的理论分析、设计方法和有关计算是一致的，基本组成部分也是相同的，其作为中小桥梁下部结构基础能满足公路桥涵地基和基础设计规范要求。管桩能否被顺利下沉至预定位置和深度是建造管桩基础的关键，随着施工设备和技术的发展，管桩下沉施工质量也能满足设计要求。目前的检测手段、设备和技术也能很好地协助完成施工质量控制工作，成桥阶段荷载试验验证了中桥下部结构基础的设计理论和设计方法，为预应力混凝土管桩应用于中小桥下部结构的建设积累了技术经验。另外，在管桩下沉施工方法中，采用锤击法能够避免管桩处于振动冲击状态而导致桩身出现裂纹和破坏；高强度预应力混凝土管桩相比较于钻孔灌注桩作为中小桥下部结构基础，施工质量更容易得到保证；由于高强度预应力混凝土管桩在锤击法施工过程中结构始终处于受压应力状态，安全可靠，耐久性更优。

6 结语

高强度预应力混凝土管桩（PHC管桩）代替钻孔灌注桩成功应用于桥梁下部结构基础中，可以加快桥梁基础施工进度、节约工程造价，也能避免发生钻孔灌注桩基础施工过程中经常出现的一些质量问题。在类似的建设工程中，在一定的地质条件下，注意加强在设计、施工、检测等各环节的质量控制，高强度预应力混凝土管桩代替钻孔灌注桩作为中小桥梁下部结构基础是完全可行、可靠的，值得参考、借鉴和推广应用。

参考文献

[1] 刘自民，陈开利.桥梁工程检测手册[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 宋玉普.新型预应力混凝土结构[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 杨文渊，徐犇.桥梁施工工程师手册[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 张宇峰，朱晓文.桥梁工程试验检测技术手册[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5] 中华人民共和国交通部.公路桥梁承载能力检测评定规程（JTGT J21-2011）[S].

作者简介：徐善中（1981-），湖南新宁人，苏交科集团股份有限公司/在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室工程师，研究方向：桥梁结构工程检测。

（责任编辑：小 燕）