王朋雨
中交第二航务工程局有限公司 湖北武汉 430070
摘要：目前，预制厂地基处理方面的研究主要集中在基础的承载力方面，针对基础承载力不足的问题，进行了地基处理，但是，有关预制梁基座沉降和倒拱的实验和研究很少，预制梁反演的设置非常重要，很多项目在施工中不注重预拱度的设置，既导致工程实际成本的增加，更直接影响桥梁的使用寿命，本文通过分析预制基座的相对刚度，确定基座变形与基础沉降之间的关系，以便准确确定基座预弯，它实现了精确控制甲板高度的目的，并通过工程实例进行了验证。
关键词：制梁台座 刚度 沉降 地基承载力 预拱度设置
1 前言
预制梁已经在国内外桥梁、铁路等领域广泛应用，梁场的建设作为预制梁施工的关键部分，然而，大量的研究，大量的参考文献主要针对光有梁场的布局优化，以方便施工。也有一些参考文献研究梁场的基础处理，但仅限于基础的地基承载力，关于预制梁基座的沉降和反拱设置的实验和研究很少。
预制梁基础处理和反拱设置的设计基于预制梁基座是绝对刚体的假设，这个假设意味着预制梁基座在受到应力后不会弯曲，这与实际情况不符，后张预制梁在混凝土浇筑和预应力张拉两种情况下对基础的影响完全不同，如果基座的沉降和基座的变形不能确定，则预制梁的预弯曲设置变为空谈。
预制梁的反拱设置非常重要。第二阶段静载的理论计算增加，同时也会对桥梁整体外观产生不利影响[1]。同样，如果梁拱超过设计值，桥面整体层可能达不到设计所要求的最小厚度，为了确保桥面整体层的最小厚度，必须采取各种措施，甚至必须进行坡度调整，这将导致项目的实际成本增加，更重要的是，斜坡调整引起的桥面上的恒载荷的增加直接影响了桥梁的使用寿命[2]。
2 基础相对刚度与沉降的关系
在弹性地基梁理论中，就提出短梁、长梁、刚性梁等不同的计算模型，参考文献[3]基础相对刚度Krs与基底点沉降系数ωc呈分段非线性关系，函数关系可按Boltzmann方程表达：
图2-1 Boltzmann函数标准图形
其中x对应相对刚度Krs，y对应沉降系数ωc，另一个是与特定函数有关的常数。
图2-2 Krs与ωc的Boltzmann函数关系曲线
Krs>10时，ωc趋近于0.9，认为基本周边和基本中心的沉降基本相等。在基础受到应力后，不会发生变形，基部将保持平坦，基点将平等地稳定。相反，Krs<10时，基础不能被认为是绝对刚性的，基础本身将发生弯曲变形，而基础中心与周围的沉降是不相等的。
当基础绝对僵硬时，它是一个理想的状态，如果预制梁基座不是绝对刚性的，则在设置反拱时需要考虑基座中心和两端的不同沉降因素。
3 基础相对刚度计算
3.1 相对刚度计算理论
基础的相对刚度主要与基础的尺寸及基础与地基图的弹性模量有关，弹性地基梁理论中郭氏查表法需要计算地基梁的柔度参数，其柔度计算公式如下：
（2）
t为地基梁的柔度参数；
E0为地基的压缩模量；
E为地基梁的弹性模量；
l为地基梁的半跨长度；
h为地基梁的高度。
Hain & Lee（1978）提出了基于跷跷板基础计算铝土矿相对刚度的公式，参考文献[4]：
（3）
Krs为筏土相对刚度；
μ为地基土泊松比；
E0为地基的压缩模量；
E为筏板的弹性模量；
L为筏板的长度；
B为筏板的宽度；
T为筏板的厚度。
这两个公式的形式基本相似，公式（3）中考虑了很多因素，特别是考虑到基本宽度的影响，在上一节中，Krs>10被认为是绝对刚性的，这是基于公式（3）计算的相对刚度值。
3.2 预制梁台座的相对刚度
如果预制梁基座是绝对刚性的，则只能通过调整基础顶面的曲线来实现设定预制梁的反拱的目的，以下是通过一组数据对箱梁预制基座的相对刚度的直观描述。
表3-1 预制基座在各种条件下的相对刚度计算
混凝土材料的弹性模量取为30000MPa，钢材的弹性模量取为200000MPa，可以看出，如果30m长的预制基座要达到绝对刚度，混凝土材料需要有7×8m的截面，钢材需要4×5m的截面，显然，这种过大的横截面不会用于实际施工，通常使用混凝土材料，这种预制梁基座的相对刚度通常小于0.01，受力后基座会随着基座的变形而变形，此时预制箱梁的倒拱的设置必须考虑基座的变形。
4 工程示例
兰州至永靖沿黄河快速通道一级公路第一合同段项目青春滩特大桥共有532榀标准预制小箱梁，全部全部为30m小箱梁，最大重量为96吨。预制场地受土地征收等因素的影响，其所在区域面积较弱，地基处理难度较大。
4.1 场地准备
成桩保护：梁厂设置在主线上及附近鱼塘，基于当前施工情况右幅53号墩至45号墩基本完成钻孔灌注桩施工，为避免梁场场地平整过程中对已完成桩基的破坏，成桩保护采用现有预制桥面板覆盖钢护筒孔口。对已完成桩基进行成桩检测，确定桩基合格后割除相邻两护筒至同一标高。吊运预制好的栈桥桥面板（7.5×2×0.2m）覆盖孔口，覆盖时确保预制板平稳，外侧土石不进入孔内。为防止桩基钢筋裸露钢筋锈蚀，护筒抽水后钢筋采用水泥浆涂刷。
鱼池填筑：场内鱼池采用山皮土填筑，填筑采用挖掘机配合自卸汽车进行，鱼池填筑宽度应超过梁场设计宽度1米，确保基础稳定性。鱼池填筑标高高出水面后，改用粒径较小的砂卵石填筑，卵石层厚度铺筑厚度为50cm，分两层填筑，石料粒径不大于20cm。底层石料铺筑时应将较大卵石砌筑下面，石块应互相交错，紧靠咬搭，逐块安砌，不得有松动石块。对不稳的石块，应用大小合适的小石块或碎石垫实，位置不当时，要拨正靠紧，使石块坐稳，石料铺筑完成后压路机碾压，碾压完成后测量顶面标高并记录。
泥浆池填筑：泥浆池填筑采用先清淤抛填片石，后填筑山皮土的方法进行。用挖机挖出泥浆池内沉积的泥沙，用渣土车转运至指定位置堆放；自卸汽车装运山皮土沿泥浆池主线侧向便道侧逐步推进填筑，挖机配合填筑。填筑方式及嵌缝材料按鱼池填筑进行。
台座区基础填筑：台座两端头考虑张拉后基础受力集中，采用片石换填，换填深度1.0 m。然后浇筑120×300cm钢筋混凝土扩大基础。存梁区存梁基础由于考虑双层存梁方案，根据实勘地基承载力进行换填片石1.5m，然后浇筑100cm×20cm钢筋混凝土条形基础，其中每隔6m设置一道沉降缝。
龙门基础采用换填深度1m片石，在其上浇筑80×50cm钢筋砼条形基础，每隔12m设置一道2cm宽断缝。
梁场平整：梁场底层采用石料铺筑，铺筑厚度50cm。铺筑时应将较大片石砌筑下面。石块应互相交错，紧靠咬搭，逐块安砌，不得有松动石块。对不稳的石块，应用大小合适的小石块或碎石垫实，位置不当时，要拨正靠紧，使石块坐稳，石料铺筑完成后压路机碾压，碾压完成后测量顶面标高并记录。
场内临时排水施工：梁场纵向两侧沿主排水沟位置开挖50×40沟槽，形成简易临时排水沟，梁场范围内按横向50m人工开挖浅沟槽，向两侧与纵向主沟槽连通，形成场内排水网系统。
4.2 地质条件
表4.1-1 地质条件参数表
4.3 预制台座参数
预制基座由C25混凝土制成，为钢筋混凝土结构，预制基座端部宽3m，长2.5m，高0.5m，基础为3m×2.5m×0.5m，其他部位基础宽1.5mx0.2mx294mm，长30.2m，具体如下图所示。
图4.2-1 预制基座1/2立面图
4.4 荷载与工况
4.4.1荷载分析
⑴恒载
①预制基座端部基础自重
②预制基座一般部位线性自重
③采用模板荷载
外部模型载荷不作用在底座的基础上，只有内部模具和底部模具的重量作用在底座的基础上。模板载荷通常被认为是2.5kN/m2，并且光束宽度最大是2.85m，作用力为7.2kN/m。
④预制箱梁自重
最大载重量957KN，混凝土浇筑完成前的线性自重为31.9kN/m
⑵活载
施工期间的活荷载不考虑风荷载，只考虑其他有效荷载，其他活荷载8.55 kN/m。
4.4.2作用受力工况分析
工况一：在混凝土浇筑完成之前，在施加预应力之前，考虑基础，箱梁和模板的线性荷载以及考虑施工荷载的活荷载的线性荷载，受力情况如下：
工况二：混凝土预应力完成后，箱梁张紧拱起，箱梁自重完全由底座基础支撑，其余部位不受力，受力情况如下：
4.5 地基处理
由于预制箱梁在预应力张拉后拱起，底座的中部不受力，只有底座的端部受到应力。混凝土浇筑后，底座应力状态与预应力张拉状态不一致，必须选择不同一样的基底处理方法。
基底采用混凝土搅拌桩及灰土桩处理，桩径0.5米，桩间距可调，采用三角布置，15%的水泥参数，90天的年龄强度为1.6 MPa，桩顶上有30 cm厚的垫层
中间部分可用混凝土搅拌桩或回填压实进行处理。
利用刚性岩土软件进行计算分析，分析得到结果如下：
表4.4-1 不同地面处理方法分析的结果
中端三种处理方法和中间两种地基处理方法均满足地基承载力要求，但不同处理方法的沉降值不同。
4.6 台座预拱度设置
为保证线路运营状态下的平顺性，梁体按设计要求预设反拱，按二次抛物线过度，反拱的设置根据设计提供参考数据，30米小箱梁的设计预拱起拱为1.7cm，依照二次抛物线线型向台座端头延展，结合现场不同基底处理方法的沉降值，建议考虑的组合及预拱度起拱的设置方式见下表：
表4.5-1 不同的地面处理方法和相应的预置设置的组合
考虑到施工实际成本等诸多因素，未选择中间混凝土搅拌桩处理方案，端部选择进行混凝土搅拌桩处理，由于台座端部面积不大，水泥搅拌桩间距1 m与间距1.5 m总量相差不大，而在台座上设置预拱度为14 mm的抛物曲线要求的施工精度较高，实际施工中直线较易控制，而曲线的施工精度不易控制。因此，经过综合考虑，端部采用间距为1 m的泥浆搅拌桩处理，中间部分采用回填压实法处理。
4.7现场实施的实际效果
据现场测量和统计，全部532榀小箱梁全部完成，前期生产的48榀箱梁顶面高程偏差控制在10毫米以内，其余梁的顶面高度偏差控制在5毫米以内，总体平整度采用1米尺子检测小于2毫米，总体平整度采用4米尺子检测小于3毫米，达到了较高的标准。
5 结束语
本文仅阐述了地基处理与台座预拱度设置的关系，但在预制场的建设过程中还有很多需要优化的问题，比如预制场的地基处理及台座基础多为一次性的，换一个工程就需要重新建设一个预制场，建设成本高且工程完工后预制场还原困难，预制场台座能否做成可拆装式的呢？这样就可以周转重复利用了，曾有人提出了可拆装式的存梁台座[5]，但制梁台座与存梁台座又不同，制梁台座不仅要考虑地基承载力的问题，还要考虑预拱度的问题，而可拆装式的结构又要考虑材料的因素，不可能做成绝对刚性的，这样就必须考虑地基沉降对台座变形的影响，要制作可拆装式的制梁台座就必须解决这一问题。本文提出这个问题，供大多数工程施工人员深入研究。
参考文献：
[1] 张梁，杨晓滨.60m跨整孔预制吊装箱梁的预拱度设置.公路，2008-6，27-29.
[2] 毛杰，林大山.后张预应力小箱梁预制构件预拱度分析.中外公路，2003-10，5-7.
[3] 李孜理，李境培.浅基础相对刚度对地基沉降的影响分析.中外建筑，2009-11，95-97.
[4] Josephe.Bowles.Foundations analysis and design（the third edition）[M].NEW YORK：McGraw-Hill Book Company.1982，61-63.
[5] 李闻.客运专线大型箱梁可拆装式存梁台架设计研究.铁道标准设计，2009-s1，91-94.
[6] 陈云敏.桩筏基础相对刚度及合理板厚的确定.工业建筑，2005-5，36.
论文作者: 王朋雨
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/9
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