張科峰

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

逆作法于1933年日本首次提出概念，1935年成功應用于東京本社大廈，之后便在美、德、法等國得到了廣泛應用。我國對逆作法施工的研究與應用起步較晚，1955年哈爾濱的人防工程中首次提出后，國內(nèi)工程界便開始對該技術進行了深入的探索與研究。順作法是由下而上依次施工的，一般需要先做支護，再開挖土方至設計標高，開挖中還需根據(jù)情況做臨時支撐，然后由底層開始逐層向上施工。逆作法的施工工序正好與之相反，它是一種非常規(guī)的新型工法，它的工序是由上至下的，一般先施工支護結構，同時施工支撐柱或樁，以承受上部結構自重及施工荷載，然后由上至下逐層開挖土方至設計標高，并逐層施工地下工程。逆作法具有縮短工期、對周邊建筑物影響小、減少施工期臨時設施投入、降低工程造價等特點，目前已成為高層建筑、深基坑、地鐵站臺等地下工程施工中常用的一種比較先進的施工工法。

眾所周知，由于鋼管對混凝土的套箍作用，使得混凝土三向受壓，大大提高了混凝土的承載力，且延性也大為改善。同時，混凝土改善了鋼管的局部屈曲，大大提高了鋼管的穩(wěn)定性。此外，鋼管在施工中也可作為混凝土澆筑的模板，減少了模板費用。因此，鋼管混凝土組合結構發(fā)揮了兩種材料的特性，特別適合在逆作法施工中使用。

雖然目前逆作法施工的應用已比較廣泛和成熟，但在公路交通領域的實際應用還比較少。以山西省內(nèi)某高速公路項目中一座車行天橋為背景，通過與傳統(tǒng)施工在施工工序、結構受力、工程造價等方面進行對比分析，結果表明鋼管混凝土橋墩與逆作法施工在該項目中優(yōu)勢明顯，在類似項目中應用前景廣闊，值得大力推廣與應用。

1 項目概況

1.1 橋梁簡介

該橋位于臨猗縣孫吉鎮(zhèn)三趙線，為上跨高速主線而設，上部結構采用（22+35+22）m一聯(lián)的預應力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，下部結構采用柱式臺，樁柱一體墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，橋梁全長86 m。主要技術標準如下：

a）荷載等級 公路Ⅰ級。

b）橋面凈寬 1×凈（9～9.851）m。

c）地震 動峰值加速度0.15g，特征周期為0.40 s抗震設防烈度Ⅶ度，抗震措施等級偏安全取三級[1]。

d）平面線型 平面分別位于直線和緩和曲線（參數(shù)A：48.374，左偏）上。

e）縱斷線型 縱斷面位于3%的直坡段（下坡）。

1.2 建設條件

a）地形地貌 橋梁處于黃土殘塬與沖溝組合區(qū)，橋位處地形開闊、地勢平坦。

b）水文地質(zhì) 橋址區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水，對混凝土結構、鋼筋均具微腐蝕性。

圖1 橋梁立面布置圖（單位:cm）

c）地層巖性 按照《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363—2019）[2]，橋址區(qū)各主要巖土層容許承載力[fa0]及樁周土摩阻力標準值qik如表1。

表1 各主要巖土層力學參數(shù)建議值 kPa

d）不良地質(zhì)與特殊巖土 橋址區(qū)不良地質(zhì)主要為發(fā)育的落水洞，該次采用對處于橋梁范圍內(nèi)的洞穴進行挖除處治，同時加強截排水設置，以消除對橋梁的影響。特殊性巖土為Ⅱ級（中等）非自重濕陷性黃土，濕陷深度為9～11.5 m。

e）場地穩(wěn)定性 橋址區(qū)無活動構造，區(qū)域穩(wěn)定性較好，場地類別為Ⅱ類。

2 施工工序

天橋按常規(guī)工序，先是施工主線路基，施工完成后再施工橋梁基礎及下部結構，完成后再進行支架搭設及上部現(xiàn)澆箱梁的施工。主線一旦開挖，天橋接線必然需要臨時中斷，中斷周期由天橋施工工期決定，因而對地方路網(wǎng)正常通行構成一定影響。

該橋地處臨猗縣，為著名的蘋果之鄉(xiāng)，每年蘋果成熟期公路上運輸車輛多，對地方路網(wǎng)交通需求大。三趙線在橋址區(qū)為一條比較重要的地方通道，若因施工臨時中斷，應做臨時保通設計。但根據(jù)現(xiàn)場地形、地勢，臨時改線設計比較困難，且造價很高，經(jīng)濟性差。因此，能否在不中斷地方交通或短暫中斷的前提下，先施工完成接線橋梁，再開挖施工主線，既不影響地方道路通行也不影響主線施工。

針對上述實際問題，分別按方案1（混凝土橋墩+常規(guī)施工）、方案2（鋼管混凝土橋墩+逆作法施工）兩種方案考慮本橋設計與施工。

表2 方案1主要施工工序

表3 方案2主要施工工序

3 有限元模型

采用Midas Civil有限元分析軟件，分別建立計算上部、下部結構模型，按現(xiàn)行規(guī)范進行驗算。

3.1 上部結構模型

上部結構采用梁格模型，按部分預應力混凝土A類構件設計，上部結構有限元模型見圖2。

圖2 上部結構有限元模型

3.2 下部結構模型

下部結構墩底約束采用固結，支座采用一般彈性連接模擬盆式支座，支座剛度按支座具體型號計算確定，荷載工況主要考慮以下兩種工況：

a）工況1 永久作用+汽車荷載+溫度作用+風荷載+汽車制動力。

b）工況2 永久作用+汽車荷載+溫度作用+風荷載+支座摩阻力。

靜力計算橋墩配筋為避免模型中邊界模擬不清引起的誤差，采用上部主梁模型內(nèi)力經(jīng)組合后驗算橋墩，與有限元模型計算結果對比后擇優(yōu)采用。下部結構靜力計算有限元模型見圖3。

圖3 下部結構靜力分析模型

3.3 結構抗震分析模型

建立全橋三維空間模型，以反映橋梁結構的剛度、質(zhì)量和阻尼特性，并考慮邊界條件對模型的影響。上、下部結構及樁基均采用空間梁單元模擬，支座采用雙折線彈簧單元模擬，其恢復力模型見圖4。采用等代土彈簧模擬樁土效應，彈簧剛度k按式（1）計算：

圖4 活動盆式支座恢復力模型

式中：a為土層厚度；b1為樁基計算寬度；m為土側水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，取m=2m靜；Z為各土層距地面距離。混凝土阻尼比取0.05，鋼管系梁阻尼比取0.03，鋼管混凝土構件根據(jù)《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》GB 50936—2014[3]規(guī)定：E1地震作用下分別取0.035、0.04，E2地震作用下取0.05。全橋抗震分析模型見圖5。

圖5 全橋抗震分析模型

4 靜力分析

4.1 上部主梁靜力驗算

上部主梁采用預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，方案1與方案2對于上部現(xiàn)澆梁而言差別不大，與常見現(xiàn)澆箱梁并無二致，且筆者認為本次研究重點在下部結構，因此上部結構不再贅述，僅列出驗算結果。上部現(xiàn)澆箱梁驗算結果見圖6、圖7及表4。

表4 上部主梁持久/短暫狀況計算結果表

圖6 主梁正截面抗彎承載能力驗算結果圖形

圖7 主梁斜截面抗剪承載能力驗算結果圖形

4.2 下部結構靜力驗算

4.2.1 混凝土橋墩+樁基

下部混凝土橋墩采用1.6～1.8 m雙柱墩，其一般構造見圖8所示。根據(jù)最不利工況內(nèi)力組合設計值，按通規(guī)[4]、鋼預規(guī)[5]要求進行配筋驗算。截面配筋大樣見圖9，橋墩及樁基配筋計算結果見表5。

圖8 混凝土橋墩一般構造圖（單位：cm）

圖9 混凝土橋墩截面配筋大樣圖

表5 混凝土橋墩及樁基配筋計算結果

4.2.2 鋼管混凝土橋墩+樁基

《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》中關于鋼管混凝土柱的承載力計算方法主要為：《實心與空心鋼管混凝土結構技術規(guī)程》CECS 254的統(tǒng)一理論設計法和《鋼管混凝土結構技術規(guī)程》CECS 28的極限平衡理論設計法，兩種方法均可對實心鋼管混凝土構件進行設計，在實際工程中均得到了實踐應用。按規(guī)范條文說明，設計中可按習慣選擇其中一種，不必同時采用兩種方法進行驗算，該次驗算采用統(tǒng)一理論設計法，計算公式詳見《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》中第5章相關條文。為與混凝土橋墩對比具有一致性，鋼管混凝土橋墩也采用1.6～1.8 m雙柱墩。鋼管采用Q345鋼[6],墩身范圍不設置鋼筋，為加強混凝土與鋼管連接，鋼管內(nèi)壁設置剪力釘。鋼管混凝土橋墩一般構造見圖10，鋼管混凝土橋墩斷面大樣見圖11，靜力驗算結果見表6～表10。

表6 單肢鋼管混凝土柱在單一受力狀態(tài)下承載力計算

表7 單肢鋼管混凝土構件在復雜受力狀態(tài)下承載力計算

表8 格構式鋼管混凝土柱在單一受力狀態(tài)下承載力計算

表9 格構式鋼管混凝土構件在復雜受力狀態(tài)下承載力計算

表10 鋼管混凝土橋墩樁基配筋計算結果

圖10 鋼管混凝土橋墩一般構造圖（單位：mm）

圖11 鋼管混凝土橋墩斷面大樣圖

5 抗震分析

地震對于橋梁的破壞是巨大的，但從眾多震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，橋梁的下部結構和基礎在地震中的破壞程度、頻率相比上部結構要嚴重得多，一旦出現(xiàn)受損可能修復難度很大，有的甚至無法修復，因此橋梁的抗震分析也側重于對下部結構和基礎的分析驗算。該次主要驗算橋墩及樁基在E1地震作用下的強度問題，對于E2作用下的彈塑性分析另行論述。

根據(jù)抗震規(guī)范，在計算方向上振型質(zhì)量參與系數(shù)應達到90%以上，該次計算模型縱、橫向均達到97%以上，方向組合采用SRSS法[7]，振型組合采用CQC法。設計反應加速度譜見圖12所示。

圖12 設計反應加速度譜

5.1 E1地震作用下混凝土橋墩+樁基

E1地震作用下，結構總體應處于彈性狀態(tài)，截面抗彎剛度采用毛截面剛度。地震作用與永久效應組合后按偏壓構件進行強度驗算，驗算結果見表11。

表11 混凝土橋墩與樁基強度驗算結果

5.2 E1地震作用下鋼管混凝土橋墩+樁基

鋼管混凝土橋墩在地震作用下采用組合后內(nèi)力值進行驗算，復雜受力狀態(tài)下偏保守采用最大內(nèi)力值，且認為其均同時發(fā)生在同一截面處。按規(guī)范考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)0.8，驗算結果見表12所示。

表12 單肢鋼管混凝土構件在復雜受力狀態(tài)下承載力計算

表13 格構式鋼管混凝土柱在復雜受力狀態(tài)下承載力計算

6 工程造價分析

該次為受力對比一致，兩個方案墩型采用相同尺寸，因此方案2工程材料上優(yōu)勢不大。但從受力計算結果可見，鋼管混凝土橋墩富裕度很大，可以進一步優(yōu)化截面尺寸。為此，筆者采用優(yōu)化后截面進行了受力驗算并均滿足規(guī)范要求，據(jù)此進行工程量對比分析。

從表14可知，鋼管混凝土橋墩配合逆作法施工，在造價方面優(yōu)勢明顯，節(jié)約造價50%以上，具有顯著的經(jīng)濟效益。此外，筆者后期經(jīng)過計算，對鋼管混凝土橋墩進行了優(yōu)化設計，只在墩樁連接段局部設置剪力釘，取消了墩身全范圍設置。同時對止?jié){板增設加勁肋，避免因樁基較長，澆筑混凝土過程中翻漿發(fā)生。優(yōu)化后方便施工的同時降低了工程造價，進一步提高了該墩型的經(jīng)濟性。

表14 全橋橋墩工程造價對比表

7 結語

本文以一座公路車行天橋為例，分別考慮常規(guī)正作法混凝土橋墩和逆作法鋼管混凝土橋墩兩種施工方案，通過對施工工序、結構受力及工程造價等方面進行對比分析，結論表明鋼管混凝土橋墩配合逆作法施工具有承載力高、施工方便和工程造價低的優(yōu)勢，在相同或相近項目中具有非常顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，值得大力推廣和應用。但同時也應看到，逆作法對施工控制要求較高，如鋼管柱的定位與固定、保證垂直度需要的時時糾偏措施等。該次方案研究的方法和結論，可供同類型項目設計與施工借鑒和參考。