浅析预应力混凝土连续刚构桥桩基础加固设计

陈新军

摘 要 对某城市轨道交通预应力混凝土刚构桥施工中出现的偏移问题进行因为分析，探讨刚构桥桩基础加固设计和施工中的重难点问题。

关键词 城市轨道交通;预应力混凝土;连续刚构;基础加固。

前言

目前，我国的城市轨道交通事业建设正如火如荼。城市轨道交通系统因受城市环境限制，决定其主要以地下结构为主，但高架结构相较于地下结构而言，其有施工速度快、工程造价低、安全风险小等诸多要点，在山地城市及平原城市远郊地区也有较多使用。

城市轨道高架区间结构中，预应力混凝土连续刚构桥，因其结构轻薄，且具有较大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，易满足轨道刚度要求，是常用的结构形式之一。但相较于同等跨度的简支梁桥，同等跨度的预应力混凝土刚构桥结构受力复杂，易受基础变形、混凝土收缩徐变及环境温度变化的影响，常出现结构变形过大、开裂等问题。在预应力混凝土连续刚构桥施工过程中，张拉预应力，拆除临时支架，会导致结构内力发生变化，产生二次弯矩，内力重新分布;桥梁建成后，受混凝土的收缩徐变影响，弯矩将重新分布，各截面内力发生变化。无论是施工还是运营阶段，内力的变化易导致变形和开裂。过大的结构变形和开裂将影响到结构的耐久性和安全性，严重时甚至会导致结构整体破坏、垮塌。因此，无论在施工阶段还是运营阶段，均应重视桥梁监控和监测，尽早发现异常变形，防止事故发生。

1工程概况

某城市轨道交通高架桥16#-25#墩区段位于回填区内，桥型为3联（3×40）m预应力混凝土连续刚构。上部结构为C50现浇预应力混凝土箱梁，主梁为单箱单室截面，梁高为 2.2m 等截面箱梁。桥墩截面采用实心矩形截面，桥墩为C40混凝土结构，截面标准尺寸为 3.0m×2.8m，墩高范围为20.0m～24.2m。承台和桩基采用C35混凝土结构，承台尺寸为7.8m×7.8m×2.5m，每个承台均设置4根直径1.8m 的钻孔桩，桩长范围为 28.0m～47.0m。

施工单位在进行竣工测量时发现，16#-25#桥墩及箱梁平面位置与设计坐标有较大偏差，偏差范围在2.07～18.65cm之间，墩柱中心横向最大偏差发生于21#墩，横桥向最大差值18.65cm，顺桥向最大偏移值位于23#墩，顺桥向最大偏移值17.43cm，详见图1， 表格1[1-3]。

经详细检测发现以下问题：

（1）支座横向未发现滑移及限位塊损坏、支座纵向位移未见异常、伸缩缝纵向宽度和横向相对位移均未发现明显异常。

（2）箱梁底中线与墩柱中线相对偏差较小，在合理误差范围内。箱梁和桥墩之间横向没有明显相对位移，墩梁连接部位完整，梁体结构受力未发生较大变化，梁柱受力体系稳定，承台以上部位结构未有明显变化。

（3）墩身、桩基、承台施工放样采用绝对坐标放样，但不同桥墩偏位差异较大、已开挖外露的墩承台均未发现明显裂缝和破损。

（4）桩顶段出现环向受力裂缝，裂缝距离承台底面 0.46m～0.80m，长度0.19m～1.00m，宽度 0.13mm～0.80mm。部分桩基裂缝深度发展至箍筋位置，并继续往桩基中心延伸。桩基裂缝出现位置无规律，部分桩基多侧出现裂缝。

（5）由于现场芯样断裂较多，无法确定是否存在断桩。受检桩混凝土芯样强度均能满足设计C35混凝土的要求。

经补充勘察，桥位处场地稳定，无明显滑移，后经连续测量6个月，各墩位移量趋于稳定，未见明显增长。第三方评估机构检测评估后认为，桥墩偏位主要发生在桥墩施工完成之后且主梁施工之前，桥墩墩柱及主梁结构完好，部分桩基础存在受损情况。

2断桩原因分析

由于桩身裂缝产生位置无规律，经调查与分析，认为主要由以下多重因素引起：

（1）回填土流动变形对桩基的影响。桥位位于回填区内，虽无剪出口，场地稳定，但现场填土松散，粒径不一，均匀性差。桥梁周边受其他工程平场施工影响，施工期间地形地貌有强烈变化，桥址范围内一侧堆积3～5米高的回填土，土地偏压导致松散回填土体滑移变形，土体偏压力荷载直接作用桩身。

（2）梁体施加预应力以后，桥梁内力发生变化，桩基承受弯矩变大，与土体荷载变形叠加，易导致桩身开裂。

（3）松散回填土内施工桩基础，桩基成孔质量较差;在负摩阻力作用下，桩身更容易出现质量问题[4-6]。

3基础加固设计

本桥结构形式为预应力混凝土连续刚构，为超静定结构，且预应力钢束已张拉完成，结构已完成二次力分配。加固设计需要解决以下问题：

（1）加固过程中不可释放基础约束。下部基础边界条件一旦发生变化，会导致刚构体系内力分配发生变化，若梁体预应力释放，将直接影响桥梁整体安全。

（2）新建结构必须与既有结构建立有效连接，有足够的刚度和强度，确保荷载能有效传递到新结构上。

（3）新建结构将导致基础刚度变大，列车荷载、温度荷载、地震荷载作用下，结构内力都将发生变化;温度力和地震力都将增大，需对既有墩柱及梁体进行检算，确保结构整体安全。

为了尽量减少加固施工对上部结构的影响，设计采用不改变既有结构的加固方案，在既有基础外围施做新的钻孔桩，对原桥墩桩基进行托换，通过外包原承台形成整体共同受力体。

加固设计中，准确模拟现有结构受力状态，是加固设计的重点之一。采用空间有限元计算软件 MIDAS/CIVIL 2015模拟基础加固过程及加固后桥梁运营状态。采用“m”法模拟桩土效应，并通过节点弹性支承进行边界条件的模拟，土弹簧参数按地勘报告提供数据进行模拟。结构初始偏位按实测墩、梁横向相对偏位 6cm建入模型中。

因无法查清桩身的破坏位置及损坏程度，无法核算既有桩基残余承载力，故计算时偏于安全地不考虑受损桥墩桩基础的承载能力，按全部荷载由新建结构承担进行承载力和强度检算。

经检算，考虑结构偏位以及加固阶段可能存在的荷载作用后，施工及运营阶段结构内力增量较小，加固阶段的桩基的裂缝宽度、应力水平未发生较大变化，新建桩基结构满足设计要求[7-10]。

新建承台尺寸为：13.5×13.5×4.5m，设 8 根 1.8m 的群桩基础，布置于既有基础四周，具体布置形式见图2。

新建承台包裹既有承台，接触面表面做凿毛处理。新老承台间采用植筋处理，以增加新旧承台整体性。植筋方式如图3，对原承台顶面和四个侧面进行植筋，植筋用采用 A 级胶，钢筋采用HRB400钢筋，间距按30×30cm间隔布置。

主要施工方案：先基坑开挖并进行坡面网喷支护，再施工新增桩基和新增承台对原桩基础进行托换，最后回填基坑至设计地面线。施工期间加强监控量测，梁体发生变形立即暂停施工。同一联两个主墩采用跳桩开挖，施工完一个主墩后再施工另一主墩， 禁止同时开挖。

本桥加固完成后，桥墩偏位得到有效控制，经验收合格后投入使用。运营期间，经监测，未发生新的偏移，桥梁状态良好[11-13]。

4结束语

预应力混凝土连续刚构桥桩基础出现质量问题不易被发现，故在施工中，应加强结构的变形测量，及早发现问题。加固方案设计中，应对桥梁现有整体受力进行准确分析，准确模擬加固施工过程，检算施工阶段结构最不利状态，采用有效可行的加固处理方式，避免影响桥梁的整体安全。

参考文献

[1] 李强.预应力混凝土连续刚构桥的发展及存在的问题[J].交通标准化，2009（206）：9-11.

[2] 地铁设计规范：GB50157-2013[S].北京：中国标准出版社，2013.

[3] 铁路桥涵设计规范：TB10002-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[4] 铁路桥涵混凝土结构设计规范：TB10092-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[5] 城市轨道交通桥梁设计规范：GB/T51234-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[6] 铁路桥涵地基和基础设计规范：TB10093-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[7] 城市轨道交通结构抗震设计规范：GB50909-2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[8] 铁路工程抗震设计规范：GBJ50111-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[9] 铁路桥梁钢结构设计规范：TB10091-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[10] 铁路混凝土结构耐久性设计规范：TB10005-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[11] 混凝土结构耐久性设计规范：GB/T50476-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[12] 混凝土结构加固设计规范：GB50367-2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

[13] 公路桥梁加固设计规范：JTG/TJ22-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.