桥桩位移控制指标探讨

魏军扬，周 勇，杨传景

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200000)

至今为止，在国内，桥梁能承受多少变形规范还没有明确规定。在国外，美国交通研究委员会将能够导致建构筑物的破坏并需要付出高昂维护维修费用甚至要重新建造的建构筑物变形称为“不可承受的变形”。

在1978年—1983年， “公路桥梁可承受的变形标准”这一课题被美国国家工程部进行了立项研究，314座美国及加拿大的桥梁的基础变形，变形容许值及结构破坏的现场数据被搜集整理(如表1所示)，不同数量级和频率的位移对桥梁结构的作用也得到了较好的分析总结，并提出了较为合理的桥梁可承受变形标准。

表1 不同位置桥墩位移统计表

针对桩基沉降和水平变形控制，国内外相关规范也给出了一些容许值和极限值标准。

1 桥墩位移

通过对很多桥墩变形状况进行统计数据发现：地基承载力不足会引起桥墩变形；桥梁桩基变形失稳也会引起桥墩变形；更主要的是邻近桥桩基础土体的水平变形(路堤作用或回填等作用)所导致的桥墩变形占据较大比重。

如表1所示，当桥墩位于路基荷载的坡趾时，其位移大概是远离路基荷载的桥墩的2倍。表中数据表明，远离路基荷载的桥墩的平均沉降为83.8 mm，远远大于与路基荷载相邻的桥墩的平均沉降(48.3 mm)，这与我们的期望值是不符的。但是，邻近路堤的桥墩的水平位移平均值(81.3 mm)却大于远离路堤的桥墩的平均水平位移(38.1 mm)。这表明，在设计邻近路堤的桥墩的时候，要更多的考虑水平位移带来的影响。

2 地基变形对桥梁的影响

连接点的破坏，桥台桥墩破坏，水平及竖向位移破坏及上部结构开裂是桥梁结构破坏的主要形式。当桥墩和桥台产生位移的时候，上部结构很容易开裂，统计表明不同基础变形情况下桥梁的破坏形式，几乎所有的结构破坏类型都发生在水平向和竖向变形同时发生的时候。其中水平位移更容易引起桥台破坏和上部结构开裂。而在只有竖向变形的时候，结构破坏发生的频率很小，大概有77座桥梁没有发生任何破坏。变形的数量级也有同样的趋势。

在基础仅有单向水平变形而没有竖向变形的时候，即使水平变形的数量级很小，桥梁结构也很容易发生结构破坏。这表明，基础水平向变形比竖向变形更容易导致结构破坏。在仅有水平向变形的情况下，当变形在25.4 mm～50.8 mm之间的时候，有2/3以上的桥梁上部结构产生裂隙，有1/3以上的桥梁连接点受到变形的影响。水平变形在50.8 mm以上的时候，桥台开始发生明显的水平位移，并且破坏。

通过对大量桥梁裂隙类型实例分析调查发现，在竖向变形和横向变形一起相互作用，同时存在的条件下，基础的横向变形所产生的水平向位移比竖向变形造成的不均匀沉降更容易导致桥梁结构产生裂隙。

3 桥梁可承受的基础变形研究

3.1 美国国家工程部统计分析结果

在搜集的280座承受基础变形的桥梁结构中，经分析，认为有180座桥梁是可以承受其基础变形，而有100座桥梁不能承受其基础变形。表1表明在可承受基础变形的桥梁中，经常会出现桥台的破坏和上部结构裂隙，在大多数情况下，这种破坏主要包括较小的裂隙，桥台结构联结点的张开或者闭合，以及混凝土桥面的开裂和破碎。当然，对于承受基础变形而没有产生任何破坏的桥梁，也被认为可以承受其变形。

表1表明，在100例不能承受其基础变形的桥梁中，大约有一半产生上部结构的裂隙，水平位移，竖向位移和连接点的破坏。另外，大约有1/4存在桥台的破坏。与可承受其基础变形的桥梁相比，不能承受其基础变形的桥梁中存在更多的由变形引起的破坏。对桥梁破坏更加深入的研究表明，这些极易产生的结构破坏大多与基础的水平向变形和与竖向变形共同作用中水平向变形部分有着直接的联系。

由于连接桥梁的道路经常出现乘坐质量变差的问题，目前乘坐质量己经成为评价桥梁可承受的变形时需要考虑的重点因素之一。但是，表2表明，考虑桥梁结构的因素，只有12座桥梁出现乘坐质量降低的现象。然而，其中11座桥梁被认为不能承受其基础变形，而且在这11座桥梁中，最大的不均匀沉降在61.0 mm～889 mm之间，其平均值为355.6 mm，这其中的最小值也超出了桥梁承载力和适用性标准所允许的不均匀沉降值。这些数据表明，在乘坐质量降低以前，桥梁己经不能承受基础所产生的变形。表明在考虑静态位移的情况下，建立公路桥梁可承受的变形准则时，乘坐质量可以不作为一个决定性因素来考虑。

表2 桥梁可承受的结构破坏统计

表3,表4是桥梁所能承受的地基变形的种类和数量级的分析结果。表3是变形种类、变形数量级和平均变形量的总结，表4则给出了桥梁在可承受和不可承受的基础变形在不同数量级区间的分布频率。从表3中可以看出，桥梁不能承受的变形远远大于可承受的变形。表4中表明，在不均匀沉降小于50.8 mm的桥墩中，有98%被认为是可以承受其地基变形的，而在不均匀沉降小于99.1 mm的桥墩中，有91.2%被认为是可以承受其地基变形的。总的来说，当不均匀沉降大于101.6 mm时，桥梁对不均匀沉降的承受能力明显下降。

表3 桥梁可承受变形统计表

表4 桥梁可承受和不可承受的变形数量级分布

基于以上的数据，对于与竖向位移共同作用的水平位移，桥墩可承受的水平位移值限制为25.4 mm。对于桥梁桩基差异沉降的控制标准值定为101.6 mm。

3.2 不同规范对桩位移控制要求

1)TB 10002.1—2017铁路桥涵设计基本规范[1]。

墩台顶帽面顺桥方向的弹性水平位移应符合5.4.4规定。

2)JGJ 94—2008建筑桩基技术规范。

该规范规定一般建筑物和敏感建筑物地面处桩基水平位移限值分别为10 mm和6 mm；同时，应根据变形特征来判定选取沉降变形允许值。

3)JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范[3]。

该规范附录B.5.3根据不同加载方式，提出了相应的极限水平荷载位移控制标准。对于多循环加卸载，当桩顶水平位移超过20 mm～30 mm(对于软土可为40 mm)时，停止加载，可认为达到极限。对于单循环加载条件，加载点水平位移超过50 mm时，停止加载，可认为达到极限。

4)JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范[4]。

规范4.3.3节规定，相邻墩台间不均匀沉降(不包括施工中的墩台的沉降)差值，应满足不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡(折角)，另外对于超静定结构桥梁，同时还应满足结构的相关受力要求。

根据5.3.9条文说明，可以通过常数法、m法、c法、k法等方法进行桩在水平荷载作用下的内力计算。m法应用较为普遍，其地面位移不宜超过10 mm。

5)TB 10621—2009高速铁路设计规范(试行)[5]。

该规范不仅对桥梁墩台基础工后沉降值作了限定，同时还需按照承载力的要求进行桩基设计，简支梁桥的工后沉降限值如表5所示。规范在7.4.3节还特别指出，可釆用可调高的支座对应用于沉降难以控制区段的高速铁路桥梁。

表5 墩台基础工后沉降限值

6)AASHTO LRFD Bridge Design Specifications SI Units Third Edition 2004[6]。

规范中10.7.2.2条建议设计的桩水平位移不超过38 mm。

7)DNV-OS-J101 Design of offshore wind turbine structures[7]。

DNV-OS-J101 最新版强调计算泥面的总转角不超过0.5°，而该0.5°由两部分组成，其一为单桩桩体在计算泥面处的安装偏差，另一部分为永久累计转角。例如，桩体沉桩完成后的垂直度控制在0.25°，则基础永久累计转角应控制在0.25°以内。对于桩身泥面处水平位移不超过L/500 或者D/50(L为桩体入土深度，D为桩径)；桩体端部位移不超过10 mm和L/5 000的最小值。

8)加拿大基础工程手册。

规范中规定桩基水平位移不超过1%D，其中D为桩径。

9)日本建筑学会建筑基础构造设计规范。

规范中规定桩基水平位移不超过1 cm。

10)日本道路桥规范。规范中规定桩基水平位移不超过1%D，其中D为桩径。

4 桥桩受力变形控制要求

4.1 强度控制要求

1)墩柱强度控制要求。墩柱强度应满足JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中相关规定[8]。

2)桩基强度控制要求。桩基强度应满足JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中相关条款规定。

4.2 抗裂控制要求

1)墩柱裂缝控制要求。可按照JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中6.4.3条款进行验算裂缝要求。

2)桩基裂缝控制要求。可按照JTG D62—2012公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中6.4.5条款进行验算裂缝要求。

5 结论

1)几乎所有的结构破坏类型都发生在水平向和竖向变形同时发生的时候。

2)绝大多数情况下，其中水平位移更容易引起桥台破坏和上部结构开裂。而在只有竖向变形的时候，结构破坏发生的频率很小。

3)考虑到桥梁的重要性，建议桥梁桩身位移评价标准为：

非地震工况下，以桩身产生裂缝时桩身弯矩Mu和1%D作为双重控制指标。

地震工况下，桩身在回填土体产生的被动荷载作用下保持弹性状态，同时确保在回填土体产生的被动荷载+SL-2地震作用下正常行车安全。