灌注桩交通桥设计分析

王键、孙彬彬

（1.山东省临沂市费县石岚水库服务股，山东临沂273400；2.费县水利工程保障中心，山东临沂273400）

1 地理位置

费县地处山东省中南部，东临兰山，西接平邑，南依兰陵，北靠蒙山，自西北至东南连蒙阴、沂南，驻地费城东至探沂等工业重镇与市区无缝对接，总面积1660km2。费县地形复杂，地势南北高，中间低，西部高，东部较低，呈现西北—东南倾斜的趋势。且河流分布密集，多为降水补给为主，为雨源型河流。由于地势陡峻、河流源短流急，具有汛期洪水暴涨、汛末基本干枯的山洪性河流特征，河水流量变化幅度较大。

2 建设背景

近几年，国家为了加大加快中小河流治理进程，消除洪涝灾害隐患，特别是“十三五”期间，费县先后开展实施了一系列河道治理工程。在项目规划设计过程中，为了更好地实现防洪治理与防汛路贯通相结合原则，需要在满足河流行洪条件下，在河道上规划、设计跨河桥梁、涵洞等过水建筑物，充分与两岸道路衔接。为了满足工程建设需要，需对工程建设中存在跨河建筑物的结构形式、投资比例等，进行设计前对比分析，现以灌注桩交通桥设计在温凉河治理工程中应用为例，展开分析。

3 工程设计分析

该交通桥位于温凉河(中泓桩号18+760 处)，其温凉河为祊河一级支流，沂河二级支流。全长约82km，流域面积756.2km2。其中温凉河在费县境内长51.8km，费县境内流域面积581.04km2，主河道比降约1.176‰。桥址处河底高程为106.50m 左右，两岸设计高程118.50m，设计桥长152m，与河道中泓线呈30o夹角，20年一遇设计水位113.33m。桥面高程118.50m，桥面宽18+1.5×2+0.5×2m。

3.1 桥址断面设计洪水计算

温凉河控制断面西胡家村以上和长涧村南支流河口以上对应温凉河河道流域面积分别为618km2和602km2，控制断面分为水库和库下区间两个汇流单元，此次设计洪水计算采用许家崖水库和控制断面设计洪水同频率，区间相应的地区组成，许家崖水库控制断面以上全流域设计洪水成果按水文比拟法推求，区间设计洪水与许家崖水库下泄洪水错时段叠加即为温凉河治理段控制断面以上设计洪水。

经计算，此次治理段西胡家村控制断面20年一遇设计洪水流量为1044m3/s。

3.2 工程设计方案

该交通桥设计跨径为20m，桥面净宽22.0m，上部采用钢筋混凝土预应力空心桥板，下部采用灌注桩基础详细指标见表1。

表1 交通桥工程设计指标表

3.2.1 设计标准

交通桥荷载等级为公路-Ⅰ级；荷载标准：公路-Ⅰ级；安全等级：Ⅰ级。

3.2.2 设计方案比选

根据桥址处的地形地质情况，拟定砌石墩板桥、钢筋混凝土灌注桩预制空心板桥两种方案进行比选，见表2 中的方案比选。

表2 交通桥设计方案比选表

由表2 可知，钢筋混凝土灌注桩预制空心板桥方案虽然投资较大，但该方案具有抗冲能力强，抗震稳定性好的优点，因此此次推荐钢筋混凝土灌注桩、预制空心板桥方案。

3.2.3 桥长、跨径的确定

设计桥梁轴线与河道中泓夹角约30o，采用30o斜桥，桥址处河道主河槽宽约30m，河口宽约110m，为了尽量不缩窄河道行洪断面，设计7 孔跨径20m，两侧桥头搭板各6m，桥长152.0m。

3.2.4 桥面高程的确定

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）[1]中公式：

式（1）中：Hmin——桥面最底高程（m）；

Hs——设计洪水位（P＝5%）为113.33m；

Σ△h——考虑雍水、浪高、波浪雍高、水拱、局部股流雍高（水拱与局部股流雍高只取其大者）、床面淤高、漂浮物高等诸因素，总和为0.25m；

△hj——桥下净空为0.5m；

△h0——桥梁上部构造建筑高度，包括桥面铺装为1.13m。

计算得出：Hmin＝115.21m，设计桥面高程118.50m，满足要求。

3.2.5 钻孔灌注桩承载力计算

按照承载能力极限状态设计，采用作用的基本组合。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60—2015）[2]和《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）[3]进行钻孔灌注桩承载力计算。

式（2）中：Sud——承载能力极限状态下作用基本组合的效应设计值；

γ0——结构重要性系数，本桥梁设计安全等级为二级为1.0；

γGi——第i 个永久作用的分项系数，该工程对应桥面铺装、桥板、盖梁等作用为1.2；

γQ1——汽车荷载的分项系数，该工程采用车道荷载计算为1.4；

Q1k——汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）的标准值；

ψc——在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）之外的第j 个可变作用的组合值为0.75；

Qjk——在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）之外的第j 个可变作用效应的标准值；

γQj——在作用组合中除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）和风荷载之外的第j 个可变作用的分项系数为1.4；风荷载分项系数为1.1；

γLj——第j 个可变作用结构设计使用年限荷载调整系数为1.0。

（1）桥面系荷载

人行道、栏杆：参照其他梁桥取用，单侧为5kN/m

桥面铺装：0.18×13.25×25＝59.63kN/m

铰和铰缝：0.827×25＝20.67kN/m

行车道板：（12.02×8/20+14.22×2/20）×25＝155.75kN/m

桥面系恒载：g1＝（10 + 59.63 + 20.06 +155.75）×20＝4908.8kN

（2）盖梁及墩柱

盖梁：31.52×25＝788kN

墩柱：3.14×0.62×7.39×25×2＝417.68kN

盖梁墩柱恒载：g2＝1259.2kN

（3）桩身置换后荷载

桥桩基长为6.25m，穿过的地基土层有壤土、砂砾石及弱灰岩，根据地质勘测结论，其土层湿密度分别为1.97g/cm2、1.98g/cm2及2.6g/cm2。桩基置换的差值为：

g3＝[1.0×（25-19.7）+1.0×（25-19.8）]×0.72×3.14＝16.16kN

（4）汽车荷载

此次设计所有桥梁汽车荷载标准均为公路-Ⅰ级，桩基承载力计算按桥梁整体结构计算方法，采用车道荷载计算。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），公路-Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值qk＝10.5kN/m，集中荷载标准值Pk＝212kN。

该桥设计路面净宽为18.00m，按4 车道进行设计。

计算单元内汽车荷载标准值Q1：

Q1＝（10.5×20+298.6）×4＝2034.4kN

（5）人群荷载

桥梁设计跨径为20m，人群荷载标准取值为3.0kN/m2。由于该桥未设置专用人行道路板，仅按桥安全带0.5m 宽计算人群荷载。则人群荷载标准值Q2为：

Q2＝3.0×0.5×20×2＝60kN

（6）竖直荷载总和

承台底面以上的竖直荷载全部由桩担承受，则每颗桩所承担的荷载为：

Sud= 1.0×[1.2×(g1+g2+g3) + 1.4×Q1+ 0.75×1.4×Q2]

＝1.0×[1.2×（4908.8+1259.2+16.16）+1.4×2034.4+0.75×1.4×60]

＝10332.15kN

3.2.6 桩基承载力计算

根据地质勘探情况，地质自上而下分别为壤土、砂砾石和灰岩。查地质资料完整灰岩允许承载力为1000kPa，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019），此次设计灌注桩按端承桩设计。

钻孔灌注桩的单桩轴向受压容许承载力[Ra]：

式（3）中：[Ra]——单桩轴向受压容许承载力（kN），桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑；

C1——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数为0.48；

AP——桩端截面面积为1.54m2；

frk——黏土岩取天然湿度单轴抗压强度标准值为30MPa；

C2i——根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i 层岩层的侧阻发挥系数为0.04；

u——桩身周长为4.40m；

hi——桩嵌入各岩层部分的厚度（m），不包括强风化层和全风化层；

m——岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；

ζs——覆盖层图的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定为0.2；

n——土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑；

li——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

qik——与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa）。

经计算，钻孔桩的单桩轴向受压容许承载力[Ra]＝24876kN。

F＜[Ra]，设计桩长能够满足要求。

3.2.7 抗震复核

根据桥梁通软件7.8 版本抗震计算成果，该桥符合抗震规范要求。

3.2.8 工程布置

该防汛交通桥两端与堤防相衔接，交通桥共7 孔，跨径20m，长152m。桥宽18+2×1.5m，两侧防撞护栏各宽0.5m。

3.2.9 结构布置

上部结构采用20m 标准跨径的钢筋混凝土斜预应力空心板，全桥共7 孔。每跨2 块1.25m 钢筋混凝土边板，13 块1.25m 钢筋混凝土中板，空心板高0.95m，板长20m，桥板混凝土标号为C40。桥面铺装为10cm 厚C40 防水混凝土，其上为8cm 厚的沥青混凝土，桥面横坡为1.5%，两侧排水。

下部结构采用钻孔灌注桩式基础，圆柱式桥墩台，柱径1.2m，桩距5.9m，河底冲刷线以下桩径1.4m，桩长7.5（6.26）m。盖梁为22m×1.6m×1.6m，系梁为1.0m×1.0m。

4 结语

工程项目规划设计工作的细微处关系着风险防范和项目成败，规划设计准备得越充分、越细致，工程建设过程越顺利。只有进行一系列的设计成果分析，优中选优，才能比选出最佳方案，并应用到实际中，为建设单位提供优质的设计成果。