CN115680005A - 高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构及施工方法。多年冻土地区现有桥梁结构在高烈度地震时可能会出现落梁破坏，并且桩基设计长度过于浪费。本结构中，承压板位于桩基顶部，承压板上设置有垂直于线路方向的若干凸条；空心箱型构件呈方管形，底部设置有沿其长度方向布置的凹槽；若干空心箱型构件设置在承压板顶部，沿垂直于线路方向布置，并沿线路方向彼此紧靠；承压板顶部的凸条插入空心箱型构件底部的凹槽。本结构采用桩板基础，能降低冻土融沉造成的沉降外，还能避免结构在大震时整体落梁和倒塌的风险；为了适应高寒地区不利的建设条件，采用装配化方式进行拼装施工，保证受力构件的质量安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及公路装配式施工技术领域，具体涉及一种高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构及施工方法。
背景技术
目前我国已规划高速公路网中，仅G6京藏高速公路的最后建设路段——格尔木至拉萨段尚未通达。由于青藏高原特殊的地理和气候条件，设计沿线穿越了约400公里的多年冻土区，该特殊地质条件使京藏高速仍然面临着如何建设的难题。
实际工程中采用调控对流、辐射或传导等方式，或者通过综合调控来冷却路基下方的冻土层，但仍有可能出现病害。为了避免黑色路面通过热辐射吸收的热量传递到冻土路基中，工程研究人员提出“以桥代路”的应对方案。目前已建公路桥梁上部结构主要形式有预应力混凝土小箱梁、预应力混凝土T梁、预应力混凝土空心板，下部结构采用桩基将上部结构的荷载传递到地基中。然而，青藏高原冻土地区桥梁建设方案不仅需要对桩基进行特殊设计，还需要采取有效的抗震措施抵御地震作用。2021年5月22日在青海玛多县发生了7.4级地震，导致多座桥梁损毁。主梁沿纵桥向位移过大，超过支座的剪切变形能力，从而发生了落梁破坏。根据中国地震动参数区划图，青藏高速公路沿线均为高烈度区域，其抗震设防等级为Ⅶ到Ⅸ度区，其中全线Ⅷ度区占比达到55.9％，Ⅸ度区达到14.3％。抗震措施不足有可能会导致桥梁结构失效。
因此，需要设计新的桥梁架空结构，能适应多年冻土区的特殊条件、保护冻土层、并能抵抗高烈度区域的震害影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构及施工方法，以至少解决保护冻土层并抵抗高烈度区域震害影响的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，所述结构包括桩基、承压板和空心箱型构件；
所述承压板位于所述桩基顶部，所述承压板上设置有垂直于线路方向的若干凸条；
所述空心箱型构件呈方管形，底部设置有沿其长度方向布置的凹槽；
若干所述空心箱型构件设置在所述承压板顶部，沿垂直于线路方向布置，并沿线路方向彼此紧靠；所述承压板顶部的凸条插入所述空心箱型构件底部的凹槽。
进一步地，所述结构还包括整体化层；
所述空心箱型构件顶部设置有沿其长度方向布置的凸条，在若干所述空心箱型构件上方浇筑混凝土形成所述整体化层；
所述整体化层顶部为平面，底部形成沿垂直于线路方向布置的凸条。
进一步地，所述结构还包括筏板和支座，所述筏板和所述支座设置在所述承压板和所述桩基之间；
所述筏板设置在所述桩基的顶部，所述支座设置在所述筏板顶部并支撑所述承压板。
进一步地，所述结构还包括沥青混凝土铺装层，所述沥青混凝土铺装层设置在所述整体化层顶部。
进一步地，所述筏板包括若干预制单元，若干所述预制单元沿线路方向布置；
所述桩基顶部中央设置有下陷的凹槽；
相邻所述预制单元的拼接缝沿垂直于线路方向布置并与所述桩基上下对应；在相邻所述预制单元的拼接缝和所述桩基顶部的凹槽内浇筑混凝土，从而将相邻所述预制单元和所述桩基拼接为一体。
进一步地，所述承压板沿线路方向布置，相邻所述承压板的拼接缝处通过浇筑混凝土进行拼接。
进一步地，所述空心箱型构件的端部与所述承压板之间设置有拼接块。
进一步地，所述空心箱型构件内设置有预留连接钢筋；
所述预留连接钢筋布置在所述空心箱型构件底部凹槽的两侧，沿其长度方向布置并端部外露；
所述预留连接钢筋还布置在所述空心箱型构件顶部凸条内，沿垂直于其长度方向布置并端部外露。
另一方面，提供如所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构的施工方法，所述方法包括：
预制桩基，并在桩基顶部预设凹槽；
预制筏板的预制单元；
预制承压板，并在承压板顶部预设凸条；
预制空心箱型构件，并在空心箱型构件底部预设凹槽；
将筏板的预制单元吊装至桩基顶部，在相邻预制单元的拼接缝和桩基顶部凹槽内浇筑混凝土，实现拼接；
在桩基顶部位置设置支座，并将承压板安装至设计位置，相邻承压板的拼接位置采用湿接缝方式连接；
将空心箱型构件吊装至承压板顶部，承压板顶部的凸条插入空心箱型构件底部的凹槽。
进一步地，所述方法还包括：
预制空心箱型构件时，在空心箱型构件顶部预设凸条；
将空心箱型构件吊装至承压板顶部后，在空心箱型构件上方浇筑混凝土形成整体化层。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
相比桥梁结构形式，本发明提供的架空结构采用桩板基础，能降低冻土融沉造成的沉降外，还能避免结构在大震时整体落梁和倒塌的风险。为了适应高寒地区不利的建设条件，采用装配化方式进行拼装施工，保证受力构件的质量安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为本发明一个实施例的横截面布置图。
图2为本发明一个实施例的立面布置图。
图3为本发明一个实施例的下部结构桩板基础平面布置图。
图4为本发明一个实施例的上部结构空心箱型构件拼装示意图。
图5为本发明一个实施例的桩基与筏板连接构造示意图。
图6为本发明一个实施例的空心箱型构件预留连接钢筋示意图。
图中，1-桩基，2-筏板，3-支座，4-承压板，5-空心箱型构件，6-整体化层，7-拼接块，8-沥青混凝土铺装层，9-栏杆，10-现浇连接部位，11-桩基主筋，12-预留连接钢筋。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中央”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖向”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“布置”、“连接”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
在具体实施方式中，将线路方向定义为纵向，将垂直于线路方向定义为横向，如图1中从左到右的方向为横向。
实施例1：
本实施例提供了一种高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，适用于地震设防烈度要求较高的高寒多年冻土地区，架空结构可代替高速公路实体路基，能有效规避黑色路面吸收的热量向下方多年冻土层传导。
如图1和图2，所述结构自下而上依次包括桩基1、筏板2、支座3、承压板4、空心箱型构件5、整体化层6和沥青混凝土铺装层8。其中，桩基1和筏板2组成桩板基础，作为下部结构，筏板2承担大部分上部竖向荷载，桩基1承担地震及其他水平荷载产生的作用；上部结构包括承压板4和空心箱型构件5；上部结构与下部结构之间设置支座3，支座3可选用减隔震支座或板式橡胶支座等，能平衡上部结构和下部结构对筏板2的冲切力，支座3的位置与桩基1的位置上下对应。空心箱型构件5上方施做整体化层6，整体化层6上方铺设沥青混凝土铺装层8，作为路面结构。路面结构两侧可设置栏杆9，路面结构上还可设置其它附属结构。
如图2和图4，承压板4为预制件，水平布置，承压板4上预设有垂直于线路方向即横向的若干凸条，高度10cm，用于定位和安装空心箱型构件5。相邻凸条之间形成横向的凹槽，凸条和凹槽的截面均呈矩形。空心箱型构件5为预制件，呈方管形，底部设置有沿其长度方向布置的凹槽，空心箱型构件5底部凹槽的截面呈矩形，与承压板4的顶部凸条形状相匹配。若干空心箱型构件5可吊装至承压板4顶部，沿垂直于线路方向横向布置，并沿线路方向彼此纵向紧靠，不留间隙。承压板4的顶部凸条插入空心箱型构件5的底部凹槽中。在其他实施例中，承压板4顶部的凸条截面还可采用其他形状，如上小下大的等腰梯形，承压板4顶部的凹槽和空心箱型构件5底部的凹槽也做相应的变化。
如图2，空心箱型构件5上方设置有整体化层6，整体化层6为现浇结构，水平布置。空心箱型构件5顶部还设置有沿其长度方向布置的凸条，凸条截面为矩形。若干空心箱型构件5纵向紧靠布置后，相邻空心箱型构件5的顶部凸条之间形成了横向的凹槽，凹槽截面也为矩形。在若干空心箱型构件5上方浇筑混凝土形成整体化层6。浇筑成型的整体化层6顶部为平面，底部为适应空心箱型构件5的顶部结构形成了沿垂直于线路方向横向布置的凸条，凸条截面为矩形。在其他实施例中，空心箱型构件5顶部的凸条截面还可采用其他形状，由于整体化层6为现浇结构，因此对空心箱型构件5顶部凸条截面形状的没有限制。由于若干空心箱型构件5纵向紧靠布置后顶部形成了槽型构造，浇筑混凝土形成的整体化层6可对空心箱型构件5进行有效连接。整体化层6在空心箱型构件5上的厚度为7cm。
如图2和图3，筏板2设置在桩基1的顶部，支座3设置在筏板2顶部并支撑承压板4。桩基1和筏板2均为预制结构。筏板2的平面大小与路面设计宽度匹配，在一定长度范围内设置温度缝。筏板2包括若干预制单元，若干预制单元沿线路方向纵向布置。桩基1顶部中央设置有下陷的凹槽，凹槽内预留了连接钢筋，并且桩基1内的桩基主筋11上露至高于筏板2的位置。相邻预制单元的拼接缝沿垂直于线路方向横向布置并与桩基1上下对应，预制单元的端部也预留了连接钢筋。在相邻预制单元的拼接缝和桩基1顶部的凹槽内浇筑混凝土，将绑扎连接后的桩基1顶部凹槽内的连接钢筋、桩基主筋11和预制单元的连接钢筋浇筑其中，从而将相邻预制单元和桩基1拼接为一体。这样的分幅设计方案可降低桩板基础规模。
在本实施例中，桩基1纵向布置两列。在其他实施例中，桩基1在筏板2底部也可采用矩阵或梅花布置方式。
根据以往的研究表明，青藏高速的冻土活动层的厚度为1m至6m，并且随着时间和气候变化逐年增加。由于筏板2可以分担大部分上部结构传递的荷载，因此设计桩长穿透活动层后富余5m左右即可，其桩基1主要作用是提供结构的水平约束，不允许在地震作用时发生破坏。桩基1的直径和数量可根据水平地震作用进行设计。
本实施例中，筏板2厚度取值范围在25cm～35cm，混凝土标号应不低于C30。桩板基础的宽度与路面设计宽度匹配。筏板2宽度为12m，筏板2预制单元长度4.5m，现浇连接部位范围1m宽。筏板2在以道路中心线长度每100m设置2cm宽温度缝。桩基1沿行车方向间距10m，桩长范围在8m～12m，桩基1的数量和配筋根据抗震设计中的反应谱法与时程分析法进行设计。
本实施例中，筏板2顶部对应桩基1的位置布置减隔震支座或板式橡胶支座。减隔震支座布置在筏板2垂直行车方向的中心线位置，其余位置布置板式橡胶支座。其隔震效果应保证下部桩基在E2地震作用下极限承载力满足要求。
本实施例中，由于承压板4为主要受力构件，混凝土标号不低于C40，应能承担上部结构传递的弯矩和剪力，承压板4的厚度取值范围为30cm～35cm。空心箱型构件5采用吊装安放在预制承压板上，其高度可根据路线标高进行调整，高度范围为80cm～150cm，顶板厚度25cm，底板和腹板厚度10cm。
相类似的，承压板4也可采用如筏板2的分幅设计方案，承压板4沿线路方向纵向布置，相邻承压板4的拼接缝处预留连接钢筋并通过浇筑混凝土进行拼接。
如图1，在其他实施例中，空心箱型构件5的端部与承压板4之间还可设置拼接块7，拼接块7为现浇结构。在空心箱型构件5的端部预留连接钢筋，同时在承压板4的相应位置也预留连接钢筋，二者的连接钢筋绑扎连接之后筑模浇筑，形成拼接块7，作用是保证空心箱型构件5与承压板4在水平和竖向共同变形。
如图6，在其他实施例中，空心箱型构件5内可设置预留连接钢筋12。预留连接钢筋12可布置在空心箱型构件5底部凹槽的两侧，沿其长度方向布置并端部外露，用于与承压板4预留连接钢筋绑扎并浇筑拼接块7。预留连接钢筋12还可布置在空心箱型构件5顶部凸条内，沿垂直于其长度方向布置并端部外露，用于与相邻空心箱型构件5的预留连接钢筋12绑扎并浇筑整体化层6。
在其他实施例中，若地区抗震设防烈度低于7度，则可以将承压板4代替下部结构筏板2，并取消支座3，将桩基1与承压板4直接拼装，即承压板4发挥了筏板2的作用。拼装后再安装空心箱型构件5。桩基1的直径和数量可以根据计算结果尽可能降低，按构造进行控制。
实施例2：
实施例1提出的架空结构的施工方法，具体包括以下步骤：
S1：首先采用填方的方式整平场地，避免开挖造成对冻土层的扰动；桩板基础下方对于高含冰量土层埋藏较浅且厚度较小的高温冻土区域，在满足设计标高的前提下，可挖除高含冰量土层并回填粗颗粒土。
S2：预制桩基1，并在桩基1顶部预设凹槽。凹槽内预留连接钢筋，并且桩基1内的桩基主筋11上露至高于筏板2的位置。
S3：预制筏板2的预制单元，并预留连接钢筋。
S4：预制承压板4，并在承压板4顶部预设凸条，同时预留连接钢筋。
S5：预制空心箱型构件5，并在空心箱型构件5底部预设凹槽，在空心箱型构件5顶部预设凸条。另外，在空心箱型构件5内设置预留连接钢筋。
S6：将筏板2的预制单元吊装至桩基1顶部，在相邻预制单元的拼接缝与桩基1顶部凹槽内浇筑混凝土，将绑扎连接后的桩基1顶部凹槽内的连接钢筋、桩基主筋11与预制单元的连接钢筋浇筑其中，从而将相邻预制单元与桩基1拼接为一体，形成桩板式基础。
S7：在桩基1顶部位置设置支座3，并将承压板4安装至设计位置。相邻承压板4的拼接位置采用湿接缝方式连接。
S8：将空心箱型构件5吊装至承压板4顶部，承压板4顶部的凸条插入空心箱型构件5底部的凹槽。
S9：在空心箱型构件5上方浇筑混凝土形成整体化层6；整体化层6顶部为平面，底部形成沿垂直于线路方向布置的凸条；
S10：整体化层6上方铺设沥青混凝土铺装层8，作为路面结构；路面结构两侧可设置栏杆9，路面结构上还可设置其它附属结构。
S11：将空心箱型构件5端部的预留连接钢筋与承压板4相应位置的预留连接钢筋绑扎连接之后筑模浇筑，形成拼接块7。
本实施例构筑的装配式架空结构，在结构中构建了具有横向通孔的通风板结构，能有效通风并降低结构温度，进而保护下方的冻土层。另外，整体拼装结构也能分散地震等扰动，提高抗震性能。该架空结构代替高速公路实体路基，规避黑色路面吸收的热量向下方多年冻土层传导，具有以下重要的工程优势：
1、相比传统路基形式，该架空结构可降低土石方填挖量，仅需要对场地进行整平和部分换填，施工过程对周围自然环境影响小。
2、相比桥梁结构，行车道连续且不需要设置伸缩缝装置，受力形式简单，还可防止大震作用下落梁和倒塌破坏。
3、本发明中架空结构采用装配化构件进行组拼施工，尽可能减少在低温环境下浇筑混凝土的工序。装配构件形状简单，易于制作加工，对构件的质量控制有保障。
4、下部结构采用预制桩板基础，筏板基础承担大部分地基承载力，因此可以降低桩基的钻孔深度，且能有效应对融沉引起的沉降。
5、上部结构采用预制钢筋混凝土箱型构件，体量较小，方便预制和运输。其箱型中空部分可通风散热，避免热量传入路基中造成下方出现融化夹层。
6、可根据抗震设防水准对结构减隔震性能进行设计，通过调整减隔震支座的布置形式和数量，达到耗散地震能量的目的。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述结构包括桩基(1)、承压板(4)和空心箱型构件(5)；
所述承压板(4)位于所述桩基(1)顶部，所述承压板(4)上设置有垂直于线路方向的若干凸条；
所述空心箱型构件(5)呈方管形，底部设置有沿其长度方向布置的凹槽；
若干所述空心箱型构件(5)设置在所述承压板(4)顶部，沿垂直于线路方向布置，并沿线路方向彼此紧靠；所述承压板(4)顶部的凸条插入所述空心箱型构件(5)底部的凹槽。
2.根据权利要求1所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述结构还包括整体化层(6)；
所述空心箱型构件(5)顶部设置有沿其长度方向布置的凸条，在若干所述空心箱型构件(5)上方浇筑混凝土形成所述整体化层(6)；
所述整体化层(6)顶部为平面，底部形成沿垂直于线路方向布置的凸条。
3.根据权利要求2所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述结构还包括筏板(2)和支座(3)，所述筏板(2)和所述支座(3)设置在所述承压板(4)和所述桩基(1)之间；
所述筏板(2)设置在所述桩基(1)的顶部，所述支座(3)设置在所述筏板(2)顶部并支撑所述承压板(4)。
4.根据权利要求3所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述结构还包括沥青混凝土铺装层(8)，所述沥青混凝土铺装层(8)设置在所述整体化层(6)顶部。
5.根据权利要求4所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述筏板(2)包括若干预制单元，若干所述预制单元沿线路方向布置；
所述桩基(1)顶部中央设置有下陷的凹槽；
相邻所述预制单元的拼接缝沿垂直于线路方向布置并与所述桩基(1)上下对应；在相邻所述预制单元的拼接缝和所述桩基(1)顶部的凹槽内浇筑混凝土，从而将相邻所述预制单元和所述桩基(1)拼接为一体。
6.根据权利要求5所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述承压板(4)沿线路方向布置，相邻所述承压板(4)的拼接缝处通过浇筑混凝土进行拼接。
7.根据权利要求6所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述空心箱型构件(5)的端部与所述承压板(4)之间设置有拼接块(7)。
8.根据权利要求7所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构，其特征在于：
所述空心箱型构件(5)内设置有预留连接钢筋(12)；
所述预留连接钢筋(12)布置在所述空心箱型构件(5)底部凹槽的两侧，沿其长度方向布置并端部外露；
所述预留连接钢筋(12)还布置在所述空心箱型构件(5)顶部凸条内，沿垂直于其长度方向布置并端部外露。
9.如权利要求8所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构的施工方法，其特征在于：
所述方法包括：
预制桩基(1)，并在桩基(1)顶部预设凹槽；
预制筏板(2)的预制单元；
预制承压板(4)，并在承压板(4)顶部预设凸条；
预制空心箱型构件(5)，并在空心箱型构件(5)底部预设凹槽；
将筏板(2)的预制单元吊装至桩基(1)顶部，在相邻预制单元的拼接缝和桩基(1)顶部凹槽内浇筑混凝土，实现拼接；
在桩基(1)顶部位置设置支座(3)，并将承压板(4)安装至设计位置，相邻承压板(4)的拼接位置采用湿接缝方式连接；
将空心箱型构件(5)吊装至承压板(4)顶部，承压板(4)顶部的凸条插入空心箱型构件(5)底部的凹槽。
10.根据权利要求9所述的高烈度多年冻土区高速公路装配式架空结构的施工方法，其特征在于：
所述方法还包括：
预制空心箱型构件(5)时，在空心箱型构件(5)顶部预设凸条；
将空心箱型构件(5)吊装至承压板(4)顶部后，在空心箱型构件(5)上方浇筑混凝土形成整体化层(6)。
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