連續(xù)梁橋橋墩長度變更承載力分析

(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司　湖北　武漢　430061)

引言

設(shè)計橋梁之前，需要對橋位地質(zhì)進行勘察，然后確定選擇什么形式的橋梁，是否設(shè)置橋墩，橋墩設(shè)置在什么位置。但地質(zhì)勘察并不能完全了解橋墩附近的地質(zhì)情況，影響橋梁設(shè)計工作。當(dāng)施工單位開始橋墩施工，才發(fā)現(xiàn)實際地質(zhì)情況，如按照原設(shè)計進行施工耗時耗力。如變更橋墩長度，會節(jié)約成本，加快施工進度，但橋墩長度變更之后，承載能力是否能夠達到原設(shè)計要求，需要進行詳細的驗算。在橋梁安全性分析中，橋墩的截面強度是否符合規(guī)定顯得尤為重要[1]。

一、工程概況

某連續(xù)梁橋為左右分幅式橋梁，主梁為30m和40mT梁。左線分為3聯(lián)：孔徑布置為4×30m+5×40m+3×30m，跨徑總長為410m，全長420m。右線分為3聯(lián)：孔徑布置為4×30m+5×40m+4×30m，跨徑總長為440m，全長449.5m。

需要變更的橋墩是左線7#墩、左線8#墩，位于第二聯(lián)第四跨左右兩端。左線7#墩、左線8#墩因?qū)嶋H河床底為完整砂巖，且在河中，開挖難度大，承臺需抬高，但承臺抬高后，墩身變短，樁基變長(見表 1)，承臺、墩身結(jié)構(gòu)尺寸不變。

表1　橋墩變更基本情況

圖1　樁基和橋墩截面圖(尺寸單位：cm)

技術(shù)標準：

(1)設(shè)計安全等級：一級；

(2)結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0=1.1；

(3)設(shè)計荷載等級：公路-I級；

(4)環(huán)境類別：I類環(huán)境；

(5)設(shè)計速度：80km/h；

(6)橋面寬度：凈寬11m；

(7)地震動峰值加速度：0.05g。

二、有限元模型

采用MIDAS/CIVIL建立變更長度橋墩所在聯(lián)的基本模型，施加風(fēng)荷載、制動力、車道荷載，進行RC設(shè)計，并輸出橋墩墩底的支反力。采用梁單元模擬橋墩、蓋梁和主梁。忽略樁基與承臺影響，視墩底為固結(jié)。根據(jù)抗壓彈性模量和抗剪彈性模量，按規(guī)范要求計算支座的三向剛度。采用剛臂模擬橋墩與蓋梁之間的約束。橋墩單元施加橫橋向和縱橋向的風(fēng)荷載，以梁單元均布荷載模擬，風(fēng)荷載大小按規(guī)范[2]要求計算。汽車制動力以節(jié)點集中荷載施加于支點端部主梁上，車道荷載的施加分為正載加載和偏載加載。

圖2　左線第二聯(lián)模型

三、橋墩承載力驗算

左線7#墩正截面抗壓承載力驗算，如表 2所示。

表2　左線7#墩正截面抗壓承載力驗算

左線8#墩正截面抗壓承載力驗算，如表 3所示。

表3　左線8#墩正截面抗壓承載力驗算

類型：

偏心-Mymax：主彎矩最大時的偏心受壓驗算；

偏心-Fxmin(My)：軸力最小時偏心受壓驗算；

偏心-Mymin：主彎矩最小時偏心受壓驗算；

軸心-Fxmin：軸力最小時軸心受壓驗算；

x：受壓區(qū)高度；

rNd：r×Nd(重要性系數(shù)1.1×最大軸向力組合設(shè)計值)；

e：軸向力作用點至截面受拉邊或受壓較小邊縱向鋼筋A(yù)s和Ap合力點的距離；

e'：軸向力作用點至截面受壓較大邊縱向鋼筋A(yù)s'和Ap'合力點的距離；

Nn：抗壓承載能力。

經(jīng)驗算，橋墩變更長度之后，正截面抗壓承載力滿足要求。

四、樁基承載力驗算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ D63—2007)[3]中第5.3.4條規(guī)定，支撐在基巖上或嵌入基巖內(nèi)鉆(挖)孔樁的單樁軸向受壓承載力容許值[Ra]可按下式計算：

式中：

[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值(kN)，樁身自重與置換土重(當(dāng)自重計入浮力時，置換土重也計入浮力)的差值作為荷載考慮；

c1——根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的端阻發(fā)揮系數(shù)；

Ap——樁端截面面積(m2)，對于擴底樁，取擴底截面面積；

frk——樁端巖石飽和單軸抗壓強度標準值(kPa)，黏土質(zhì)巖取天然濕度單軸抗壓強度標準值，當(dāng)frk小于2MPa時按摩擦樁計算(frki為第i層的frk值)；

c2i——根據(jù)清孔情況、巖石破碎程度等因素而定的第i層巖層的側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)；

u——各土層或各巖層部分的樁身周長(m)；

hi——樁嵌入各巖層部分的厚度(m)，不包括強化層和全風(fēng)化層；

m——巖層的層數(shù)，不包括強風(fēng)化層和全風(fēng)化層；

ζs——覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)樁端frk確定：當(dāng)2MPa≤frk<15MPa時，ζs=0.8；當(dāng)15MPa≤frk<30MPa時，ζs=0.5；當(dāng)frk>30MPa時，ζs=0.2；

li——各土層的厚度(m)；

qik——樁側(cè)第i層土側(cè)阻力標準值(kPa)，宜采用單樁摩阻力試驗值；

n——土層的層數(shù)，強風(fēng)化和全風(fēng)化巖層按土層考慮。

單樁承載力驗算按下式計算：

式中：

Qk——單樁樁頂平均豎向力；

F——橋墩傳到樁基承臺的荷載；

G——樁基承臺和承臺上土的自重；

n——樁基承臺下樁根數(shù)。

(1)右線7#墩單樁承載力驗算：

=39454.64kN

符合規(guī)范要求。

(2)左線7#墩單樁承載力驗算：

=39273.84kN

符合規(guī)范要求。

(3)左線8#墩單樁承載力驗算：

=38505.44kN

符合規(guī)范要求。

五、結(jié)語

通過有限元模擬計算分析，橋墩長度變更之后橋墩承載力和樁基承載力均滿足規(guī)范要求，橋墩結(jié)構(gòu)安全可靠，對今后類似的橋墩長度變更承載力驗算情況，具有一定的參考價值。