城市高架桥跨地铁的大跨径承台设计

杨沈红

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程概况

西安某高架桥工程位于西安中心城区，总长约1.9km，工程较为复杂，沿线需跨越多个路口，同时工程K2+080～K2+240段线位与已建地铁四号线重叠。本文主要对高架桥K2+080～K2+240范围内与地铁四号线相冲突的桩基承台进行设计。

高架桥与地铁四号线的位置如图1所示。

图1 高架桥承台桩基与地铁隧道的平面位置

该段高架桥桩基布置需避开现有地铁结构，根据多方沟通协调，为避免施工期间对已建地铁隧道产生不利影响，地铁公司提出桥墩桩基与地铁隧道之间的最小净距3 m。故该段桩基布置受地铁结构的影响较大，基础布置受到一定限制，需对高架桥桩基承台进行特殊设计。该段高架桥下地铁上下行隧道间的净距仅4.5 m，无法在上下行隧道间设置桩基，桥梁需采用大跨径承台同时跨越上下行隧道，如图2所示。

图2 承台总体布置图（单位：cm）

2 大跨径承台结构设计

为减小上部结构对大跨径承台的作用，该段上部结构采用自重较轻的钢箱梁，跨径30 m，梁高2.0 m。桥墩的布置受地面道路的影响采用双柱式矩形桥墩，承台跨越地铁上下行隧道，桩基与地铁最小净距3.4 m，承台总长37.65 m，为减小承台混凝土体量，采用哑铃型承台。根据该工程地质条件，桩基采用钻孔灌注桩，按摩擦桩设计，桩长60 m。

该承台若按常规承台设计，采用钢筋混凝土结构，由于桩基间距较大，系梁跨中弯矩过大，将出现开裂，无法满足设计要求，因此需采用预应力混凝土承台。结合该工程特点，提出两种承台设计方案。

2.1 方案一：预应力混凝土实心承台结构设计

承台为长37.65 m，宽10.5 m，高3 m的实心承台，通长配束36根15øs15.2的预应力钢绞线，分三层布置，抗拉强度标准值采用1 860 MPa，张拉控制应力为1 395 MPa，梁端对称张拉，钢束布置如图3和4所示。

图3 预应力承台钢束布置（单位：cm）

图4 预应力承台钢束断面布置（单位：cm）

2.2 方案二：普钢-预应力混凝土混合空心承台结构设计

承台长 37.65 m，宽10.5 m，高 3.5 m，为减小承台自重，跨中段系梁采用单箱双室的箱型截面，跨中受力主筋为2根 ø36组成的束筋，间距0.13 m，下缘受拉区布置两排，共132根 ø36钢筋；同时系梁段顶底板各设置一排预应力钢绞线，共24根15øs15.2的预应力钢绞线，张拉控制应力为1395MPa。承台立面和系梁断面分别如图5和图6所示。

图5 承台立面图（单位：cm）

图6 承台系梁断面图（单位：cm）

3 边界条件

对于方案一，由于承台一次成型，且张拉预应力后系梁出现一定的上挠，因此可以忽略承台底土层对承台的作用，承台底面以上的荷载全部由桩基承受。对于方案二，由于承台和系梁分段浇筑，由于承台底离地铁隧道距离较远，且承台所在土层地基容许承载力100 kPa，土层较好，施工期间可考虑地基土对承台的支撑作用。系梁浇筑期间结构自重全部由地基土承担，待系梁与桥墩形成整体后，桥墩与上部结构的恒载则由整个承台传递至桩基承受。

钢箱梁及桥面系恒载以集中力加载在墩顶，其中左侧支点恒载合计2 560 kN，右侧支点恒载合计5 270 kN，汽车荷载按城-A级设计。

采用桥梁博士进行建模分析，采用“m”法模拟群桩刚度，基础刚度如表1所示。

表1 基础刚度

图7 计算模型

4 结构分析

4.1 方案一：预应力混凝土实心承台

4.1.1 施工阶段模拟

共6个施工阶段：（1）整体现浇桩基承台（2）张拉预应力钢束（3）现浇桥墩（4）承台顶土回填（5）施工上部结构及桥面系（6）10 a收缩徐变。

4.1.2 承载能力极限状态强度验算

极限承载能力考虑各种效应基本组合情况进行包络。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第 5.1.2条规定，承台承载能力极限状态强度验算应满足下列规定:

式中，γ0为结构重要性系数；S为作用组合的效应设计值；R为构件承载力设计值。

模型计算结果如图8和图9所示，承载能力极限状态承台基本组合作用下最大正弯矩132749kN·m，位于桥墩右立柱处承台底，该处抗弯承载力为330 478 kN·m；最大负弯矩 4 1696 kN·m，位于左承台顶，该处抗弯承载力为266 028 kN·m；最大剪力为24 103 kN，位于左承台桩顶处，该处抗剪承载力为27 143 kN。综上所述，预应力承台正截面抗弯及斜截面抗剪强度验算均满足规范要求。

图8 最大弯矩及其抗力（单位：kN·m）

图9 最小弯矩及其抗力（单位：kN·m）

4.1.3 正常使用阶段抗裂性验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第 6.3.1条规定，承台正常使用极限状态抗裂验算应满足下列规定:正截面正应力：

斜截面主拉应力：

式中，σst为作用频遇组合下混凝土法向拉应力，MPa；σlt为作用准永久组合下混凝土法向拉应力，MPa；σpc为扣除全部预应力损失后的预加力产生的混凝土预压应力，MPa；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，MPa。

如图10和11所示，作用频遇组合及作用准永久组合下承台正截面均全截面受压，斜截面最大主拉应力0.34 MPa，小于允许值0.5ftk=0.5×2.65=1.325 MPa。综上所述，承台正常使用阶段抗裂性满足规范要求。

图10 作用频遇组合下上下缘最小法向压应力（单位：MPa）

图11 作用频遇组合下最大主拉应力（单位：MPa）

4.1.4 正常使用阶段应力验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第 7.1.5条规定，正常使用极限状态应力验算应满足下列规定:

式中，σkc为混凝土法向压应力，MPa；σpt为预加力产生的混凝土法向拉应力，，MPa；fck为混凝土轴心抗压强度标准值，MPa。

如图12和13所示，作用标准组合下承台最大法向压应力8.51 MPa，小于允许值0.5fck=0.5×32.4=16.2 MPa，主压应力8.51 MPa，小于允许值0.6fck=0.6×32.4=19.44 MPa。承台正常使用阶段应力满足规范要求。

图12 作用标准组合下上下缘最大法向压应力（单位：MPa）

图13 作用标准组合下最大主压应力（单位：MPa）

4.2 方案二：普钢-预应力混凝土混合空心承台

方案一预应力张拉后对桩顶产生较大弯矩，对桩基产生不利影响，同时预应力张拉时，基础刚度越大，分担到的预应力效应就越大，承台系梁的预应力效应就越小，预应力无法100%施加到系梁上，而地基土层特性较为复杂，基础刚度是个理论值，若实际基础刚度比设计模拟刚度大，则预应力效应达不到原设计要求，为避免上述风险，该方案采用混合承台，仅在承台跨中段顶底板内对称张拉预应力，桩顶段仍采用钢筋混凝土承台，张拉钢束后再现浇湿接段，将桩顶段与跨中段连成整体。

4.2.1 施工阶段

承台分段现浇，共7个施工阶段：（1）现浇跨中段系梁及桩基承台（2）对称张拉跨中段顶底板预应力钢绞线；（3）现浇湿接缝，桩基承台与系梁连成一体（4）现浇桥墩（5）承台顶土回填（6）施工上部结构及桥面系（7）10年收缩徐变。

4.2.2 承载能力极限状态强度验算

根据模型计算结果，如图14和15所示，承载能力极限状态承台基本组合作用下最大正弯矩108 628 kN·m，位于桥墩右立柱处，该处抗弯承载力为243 703 kN·m；基本组合作用下最大负弯矩47 156 kN·m，出现在左侧端部承台处，该处抗弯承载力为170 121 kN·m；端部承台基本组合作用下最大剪力为22565kN，该处抗剪承载力为30274kN；跨中段基本组合作用下最大剪力为12 985 kN，该处抗剪承载力为14 014 kN。综上所述，混合承台正截面抗弯及斜截面抗剪强度验算均满足规范要求。

图14 最大弯矩及其抗力（单位：kN·m）

图15 最小弯矩及其抗力（单位：kN·m）

4.2.3 正常使用阶段抗裂性验算

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第 6.4.3条规定，钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土受弯构件最大裂缝宽度为：

式中，C1为钢筋表面形状系数；C2为长期效应影响系数；C3为与构件受力性质有关的系数；σSS为钢筋应力，MPa；c为最外排纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度，mm；d为纵向受拉钢筋直径，mm；ρe为纵向受拉钢筋的有效配筋率；Es为钢筋的弹性模量，。

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）第6.4.2条规定，该工程所在I类环境中B类预应力混凝土构件最大裂缝宽度限制为0.1 mm，钢筋混凝土构件最大裂缝宽度限制为0.2 mm。

经计算，跨中段为B类预应力混凝土构件，最大裂缝0.08 mm，小于规范允许值0.1 mm，位于桥墩右立柱处承台下缘；端部桩顶承台为钢筋混凝土构件，最大裂缝为0.11mm，小于规范允许值0.2mm，位于左承台上缘。综上所述，混合承台计算最大裂缝宽度均满足规范要求。

5 方案比选

经计算，两种方案的强度、抗裂性能等均满足相关规范要求，但从受力性能上说，方案一预应力束张拉使得桩基产生附加弯矩，对结构受力较为不利。同时，预应力的效应与基础刚度有关，而按“m”法计算群桩基础刚度时，m的取值对基础刚度影响较大，若基础刚度较大，预应力张拉时桩基会分担较多预应力效应，承台系梁达不到原设计要求，受力不明确。而方案二承台分段浇筑，预应力束在系梁与桩基承台连成整体前张拉，即能实现预应力全部施加到系梁上，又对桩基没有影响，受力分析明确。从经济性能上说，方案二承台系梁采用空心截面，虽然梁高较方案一增大50 cm，但总体混凝土体量比方案一小15.6%，方案二更经济。从施工角度上说，方案二采用分段浇筑，通过湿接段连成整体，施工时间较方案一略长。综合以上考虑，该工程推荐采用方案二进行设计。

方案 预应力混凝土实心承台 普钢-预应力混凝土混合空心承台对承台的影响预应力部分被桩基分担，无法100%施加到承台系梁上且受力不明确预应力全部作用在承台系梁上，受力明确对桩基的影响预应力在系梁与桩基连接前完成张拉，对桩基无影响经济性 系梁实心截面，混凝土体量较大（承台共675 m3）预应力张拉使桩基产生附加弯矩系梁空心截面，混凝土体量较小（承台共570 m3）施工便捷性承台一次性浇筑，然后张拉预应力束，施工较为便捷承台分段浇筑，张拉预应力后浇筑湿接缝，连成整体，施工较为繁琐

6 结语

为解决高架桥与地铁线位重叠时桥梁桩基承台如何设计，本文对两种承台方案均进行了详细论证，经计算，两种承台方案承载能力极限状态下的强度、正常使用状态下的抗裂性等均满足规范要求，设计方案合理可行，但预应力承台预应力效应受基础刚度及土层特性影响较大，需精确设计。大跨径承台的应用可使桩基的布置更为灵活，较好的解决了高架桥桩基与地铁冲突的矛盾。