軟土地區(qū)鐵路橋大直徑群樁基礎的大型厚承臺設計實踐

陳　亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

軟土地區(qū)鐵路橋大直徑群樁基礎的大型厚承臺設計實踐

陳亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要針對軟土地區(qū)鐵路橋大直徑超長群樁基礎，以甬江鐵路橋為背景，采用有限元數(shù)值分析(三維實體模型)、撐桿-系桿體系、梁式體系3種計算方法對超大樁頭力、不等長樁的鐵路橋梁大型厚承臺進行計算。結(jié)果表明，不等長樁的大型厚承臺在強大荷載作用下，基礎位移及基礎變位所致塔頂位移均不顯著，而承臺底面主拉應力較大，需作配筋設計和驗算。

關鍵詞軟土地區(qū)鐵路橋群樁基礎大直徑樁超長樁不等長樁大型厚承臺設計與計算

1工程概況

寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋(簡稱甬江鐵路橋)位于浙江省寧波市，橋址處主河槽寬180 m，兩岸為邊灘和陸地，地勢平緩，下游64.8 m處有建成通車、主跨468 m的寧波繞城公路斜拉橋。

甬江鐵路橋主橋采用53 m+50 m+50 m+66 m+468 m+66 m+50 m+50 m+53 m鋼箱混合梁斜拉橋，主跨與公路橋?qū)撞贾?，橋型布置見圖1?；炷林髁荷烊胫锌?4.5 m，其余中跨采用鋼箱主梁[1]。

圖1　主橋橋型布置(尺寸單位：cm)

2大直徑超長群樁基礎設計

索塔區(qū)的淤泥質(zhì)土及流～軟塑黏土為主要的不良工程地質(zhì)層，含水率高，物理力學性質(zhì)差，分布厚度較大，北塔、南塔的軟弱層分別厚約25，45 m?；鶐r埋深達110～130 m，為軟硬不均巖層，巖性較差。

受緊鄰公路橋的基礎布置限制，2索塔承臺順橋向×橫橋向×厚度為27 m×38.9 m×6 m，塔座為高3 m的楔形體，上截面尺寸順橋向×橫橋向為15 m×28.9 m，下截面尺寸順橋向×橫橋向為18.6 m×33.3 m。

樁基礎均采用24根直徑3 m鉆孔灌注樁，順橋向4排，橫橋向6排，縱向樁中心距7.2 m，橫向樁中心距6.7 m，最大樁長132.5 m。索塔基礎布置見圖2。

圖2　索塔基礎布置(單位：cm)

3基于超大樁頭力的承臺檢算

為研究甬江鐵路橋承臺在索塔和群樁反力作用下，承臺內(nèi)部的應力如何分布，采用有限元數(shù)值分析、“梁式(深梁)體系”“撐桿-系桿體系”3種方法相結(jié)合并予驗證，對甬江鐵路橋的大型厚承臺進行了檢算。

3.1　承臺有限元數(shù)值分析

(1) 計算參數(shù)及計算模式。北塔承臺采用C40混凝土，南塔承臺采用C45混凝土，2索塔樁基礎均采用C45混凝土，材料性能指標按文獻[2]取值。

基于ANSYS計算程序，取承臺以及不等長樁基為主體進行建模，承臺用實體單元模擬，樁用梁單元模擬，樁-土效應采用等代彈簧剛度計算的m法來模擬[3]。計算模型總單元數(shù)50 962個。

空間梁單元與空間實體單元共用節(jié)點時其連接為鉸接，如要剛性連接可通過建立約束方程、設置剛性區(qū)、MPC184剛性梁等方法實現(xiàn)。人工編寫約束方程較為繁瑣，MPC184剛性梁連接易產(chǎn)生應力集中。本橋采用CERIG自動建立約束方程的方法，實現(xiàn)了3D梁單元與3D實體單元連接的合理準確模擬。其有限元分析模型見圖3。塔柱傳遞到塔座6個方向的內(nèi)力通過均布豎向力、均水平力和梯形分布荷載準確模擬。

圖3　群樁基礎有限元空間模型

(2) 主要計算結(jié)果

① 位移。針對各種荷載工況(組合)作用下承臺的豎向位移和轉(zhuǎn)角位移作了計算，選取2種工況下的位移云圖，見圖4。

a)　豎向位移圖：恒載作用

b)豎向位移圖：活載總包絡(對應最大橫橋向剪力組合)

圖4承臺豎向位移云圖

各種荷載工況(組合)作用下，承臺的最大豎向位移不超過4.2 cm，承臺最大橫橋向和順橋向轉(zhuǎn)角位移分別為0.03°和0.02°，由基礎不均勻沉降造成的塔頂最大水平偏移約為12 mm。

綜合分析位移云圖和計算結(jié)果，可見：① 由于長樁底部土層強度較低，且長樁本身發(fā)生彈性變形的壓縮量顯著，在強大荷載作用下，承臺會發(fā)生豎向位移，而長樁一側(cè)承臺豎向位移大，短樁一側(cè)承臺豎向位移小，長、短樁的相對位移則引起不均勻沉降(用轉(zhuǎn)角位移表示)；② 承臺豎向位移、順橋向和橫橋向轉(zhuǎn)角位移均不顯著；③ 承臺的整體豎向位移、整體轉(zhuǎn)角位移以及承臺轉(zhuǎn)角位移引起的塔頂水平偏移，對全橋結(jié)構(gòu)影響在全橋計算中以柔度矩陣的形式已予以考慮[4]。

② 應力。現(xiàn)以零配筋率的混凝土計算承臺應力(名義主拉應力、主壓應力和豎向剪切應力)。圖5列出了主+附組合作用下3種名義應力的應力云圖，表1列出各種最不利組合下的應力結(jié)果。

a)最大主拉應力b)最大主壓應力

c)長邊沖切面的d)短邊沖切面的

最大剪切應力最大剪切應力

圖5承臺(不含塔座)應力云圖

表1　基于有限元分析的承臺應力表(不含塔座)MPa

綜合分析承臺的應力計算結(jié)果，可見：①承臺頂面主要表現(xiàn)為受壓，最大主壓應力為5.76 MPa，承臺底面主要表現(xiàn)為受拉，最大主拉應力為4.86 MPa；②承臺最大剪切應力發(fā)生在塔座下周緣的沖切面上，剪切應力介于1.64～1.66 MPa；③在未配筋的情況，剪應力以及主壓應力都滿足規(guī)范要求[3]，而名義主拉應力稍大，需要進行配筋驗算。

3.2　基于“撐桿-系桿體系”的承臺檢算

采用“撐桿-系桿體系”計算方法，本文對承臺進行了按撐桿的抗壓承載力、按系桿的抗拉承載力、斜截面抗剪承載力、沖切承載力(含角樁和邊樁)、主應力、剪應力等檢算，并確定了承臺的合理配筋。

根據(jù)計算：承臺順橋向截面最大主拉應力為 0.718 MPa，最大主壓應力為3.447 MPa，最大剪應力為0.514 MPa，最大鋼筋拉應力大小為163.3 MPa，皆在允許應力范圍之內(nèi)；承臺橫橋向截面最大主拉應力為0.670 MPa，最大主壓應力為4.103 MPa，最大剪應力為0.514 MPa，最大鋼筋拉應力為164.2 MPa，亦皆在允許應力范圍之內(nèi)。

3.3　基于“梁式體系”的承臺檢算

基于“梁式體系”，承臺按深梁檢算抗剪強度，并計算受拉鋼筋面積。檢算表明：承臺截面尺寸及配筋合理，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

4結(jié)語

針對甬江鐵路橋索塔群樁基礎，采用有限元數(shù)值分析、梁式(深梁)體系、撐桿-系桿體系完成了鐵路大型厚承臺的檢算。甬江鐵路橋索塔大直徑超長群樁基礎于2012年9月全部完成， 2014年12月，甬江鐵路橋建成通車。該橋設計的成功實踐，可為類似工程的大型厚承臺的設計與計算提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋主橋施工圖設計[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2010.

[2]TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[4]劉金礪，黃強，李華，等.豎向荷載下群樁變形性狀及沉降計算[J]. 巖土工程學報，1995，19(6)：9-10.

Design and Practice of Large-scale Thick Pile Cap with Large-diameter

Pile Group Foundation of Railway Bridges in the Soft Soil Area

ChenLiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：As for the super-long large-diameter pile group foundation of railway bridges in the soft soil area, based on the background of Yongjiang Railway Bridge, three methods including three-dimensional finite element method (3D FEM), strut-tie system and beam system were adopted to calculate the working performance of railway large-scale thick pile cap with unequal-length piles and huge forces on the pile heads in this paper. As to the thick pile cap with unequal-length piles, the results show that the deformations of the foundation and the displacements on the top of the towers are all non-significant, and the principal tensile stress on the bottom of the pile cap is great which means that reinforcement design and calculation should be accomplished.

Key words:soft soil area; railway bridge; pile group foundation; large-diameter piles; super-long pile; unequal-length pile; large-scale thick pile cap; design and calculate

收稿日期：2015-02-23

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.007