東河特大橋梁場條形基礎(chǔ)承載力計算研究

蔣仁國 孫德金 武建林

【摘 ?要】在臨建工程中，涉及到條形基礎(chǔ)計算的很多，如地鐵上軌道梁基礎(chǔ)、支架下面的擴大基礎(chǔ)、梁場的臺座基礎(chǔ)等，都涉及到條形基礎(chǔ)的計算。而且條形基礎(chǔ)計算方式很多，不談優(yōu)劣，但到底哪種更適合現(xiàn)場需要，可以做進(jìn)一步的探討，總結(jié)更適合的方式。

引文：

本文通過現(xiàn)場幾個臨建方案中擴大基礎(chǔ)的計算，對比幾種計算方式的方便程度，以便后面采取更方便的方式進(jìn)行擴大基礎(chǔ)的驗算。

一、臨建中條形基礎(chǔ)設(shè)計現(xiàn)狀

目前在施工臨建中，條形基礎(chǔ)的使用范圍廣，無論是鐵路、公路、市政工程等都能涉及的到。但查閱各種方案，形基礎(chǔ)的計算方式多樣化，基本上可以分為兩大類，一類是按規(guī)范上的經(jīng)驗公式計算，另外一類是采用有限元類的進(jìn)行模擬計算，這一類有的是采用梁單元底面加彈性約束實現(xiàn)，有的是采用實體單元，把條形基礎(chǔ)和土體全部建模，利用相互之間接觸面的應(yīng)力來表示所需要的承載力。但無論采用哪一種，都有其優(yōu)缺點。有的是計算偏保守，有的是計算偏繁瑣，到底哪種更適用，我們分類列舉一下。

二、條形基礎(chǔ)計算實例分析

在成昆鐵路峨米段東河村雙線特大橋節(jié)段梁預(yù)制場的臨建中，也涉及到了軌道梁基礎(chǔ)及箱梁存放臺座基礎(chǔ)設(shè)計，這些都是條形基礎(chǔ)。下面以軌道梁基礎(chǔ)為例，來探索幾種計算方法的區(qū)別與優(yōu)劣。

1、軌道梁基礎(chǔ)介紹

東河特大橋節(jié)段預(yù)制場中軌道基礎(chǔ)采用C30混凝土條形基礎(chǔ)，與地面平齊，寬1.6m，深0.5m，按160t吊重進(jìn)行軌道基礎(chǔ)檢算。下面分別用經(jīng)驗公式法、有限元模擬梁單元法和實體單元法進(jìn)行對比計算分析[1]。荷載情況龍門吊自重：100t;最大荷重：最大起吊物為2#梁段，重約160t;單腿分擔(dān)荷載：160*21/24=140t，則單側(cè)最不利荷載為100t/2+140t=190t。

1.1采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進(jìn)行計算

單側(cè)荷載平均分配給8個走行輪，則每支腿所承受的荷載為：190t/2=95t?？紤]不均勻及沖擊因素，每支腿所承受的最大荷載按95t×1.1=105t考慮，單個走行輪輪壓為105t/4=26.125t。此處不考慮軌道剛度。

基礎(chǔ)寬1.6m，輪組間距0.60m，地基處理采用50cm混凝土+50cm磚渣土，地基擴散角按30度角考慮，地基受力面積為（1.6+0.8×0.57×2）m×（3×0.6+2×0.50+0.8×0.57×2）m=2.512×3.712=9.32m2。

地基受到的附加應(yīng)力為：P=105×104/9.32=113 Kpa，現(xiàn)場測得最小地基承載力為230KPa，滿足要求。

1.2 采用有限元梁單元法進(jìn)行計算

在有限元中，為了更好的模擬基礎(chǔ)與地面接觸作用，同時為了更方便的得出需要的地基承載力，一般在劃分梁單元時，與地面接觸長度折合成面積正好是1m2時采用一個支座，這時支座所需要的反力正好時所需的地基承載力。在有限元計算處理中，類似等量代換的方法很多，在一定程度上簡化了計算。因為基礎(chǔ)寬為1.6m，折合成1m2長度就是0.625m。此時我們采用6個節(jié)段長既3.75m的梁長來進(jìn)行計算。在有限元軟件上我們采用midas civil進(jìn)行模擬分析。

由結(jié)果可知，在距輪最近的兩個節(jié)點的支撐反力最大，所需的地基承載力較大，最大達(dá)187KPa，現(xiàn)場地基雖能滿足要求但是遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的手算需要的地基承載力大的多。實際軌道梁基礎(chǔ)的長度遠(yuǎn)大于我們所取的計算長度，所以在施工中實際所需要的承載力要稍于小我們計算所需的承載力。

1.3 采用實體單元進(jìn)行計算

若用midis GTS建立實體模型，取和桿系單元相同長度的來取值，下方設(shè)置一塊土體。為了更好的模擬實際效果，土體比軌道梁在長寬方向上多出1m，建立實體模型。網(wǎng)格才用四面體或六面體混合網(wǎng)格。對混凝土和土體的材料性質(zhì)進(jìn)行定義，在中間加一集中荷載與上述荷載相同大小，來模擬龍門吊傳來的荷載。假設(shè)土體底部為固定邊界，用混凝土軌道梁和土體相互的接觸面的Z向應(yīng)力來表示土體所需的承載力，這樣和現(xiàn)場的情況更加接近。

經(jīng)過計算分析結(jié)果如下：

由此可見，無論是土體上表面還是軌道梁的下表面，豎向應(yīng)力在200KPa左右，證明土體至少需要200KPa的承載力，才能滿足承載力的要求[2]。

2、三種計算方式對比

2.1傳統(tǒng)計算方法優(yōu)劣

傳統(tǒng)的計算方式計算結(jié)果所需要的承載力較小，因為在傳統(tǒng)的計算方式上，沒有考慮結(jié)構(gòu)物如軌道梁本身的剛度，為了計算簡便，是把軌道梁的剛度看作無限大來處理的。軌道梁上受力集中在一點上，由于假定在是軌道梁剛度無限大，則軌道梁內(nèi)部不會產(chǎn)生變形，對于與之相接觸的地基來說，接觸面所需的承載力是平均的，這樣計算出來的結(jié)果相對來說較小。而實際軌道梁由于受力比較集中，并不是平均受力，本身剛度有限，所以自身也會發(fā)生一些微小的變形。變形大的地方與土體接觸的面受力較大，此處的土體所需的承載力就越大。這是傳統(tǒng)計算方法與實際之間差距。但優(yōu)點是傳統(tǒng)的計算方法較簡單，沒有考慮條形基礎(chǔ)具體的受力情況及變形特征，也沒有涉及條形基礎(chǔ)的材料的各種物理參數(shù)，如彈模、截面形狀，計算相對片面，結(jié)果可能和實際相差較大，可能要考慮一定的系數(shù)，以便滿足現(xiàn)場需要，這種算法只能在一定程度上做為施工時處理地基的參考。

2.2采用梁單元有限元模擬的優(yōu)劣

采用有限元中梁單元，邊界條件是有一定剛度的節(jié)點彈性支撐進(jìn)行計算模擬，相對傳統(tǒng)的計算方式，首先計算比較快捷，建模分析比手算要快的多。其次，把軌道梁基礎(chǔ)做為有剛度的梁來考慮，梁體的各個參數(shù)都能在計算中體現(xiàn)出來，并且影響結(jié)果的分布。在模擬中能體現(xiàn)出來輪門吊軌道輪所處位置前后所需要的承載力，土體縱向上不同地方體現(xiàn)出需要不同的承載力，但畢竟是梁單元所限，梁單元有縱向剛度參數(shù)，沒有橫向剛度參數(shù)。在橫向上土體所需要承載力的分布情況體現(xiàn)不出來。但是施工時這種模型基本上能滿足需要，不用再去考慮折減參數(shù)，相對來說是比較理想的計算方式。

2.3采用實體單元有限元模擬的優(yōu)劣

采用實體單元進(jìn)行計算模擬，相對其它兩種計算方式來說，建模過程比較復(fù)雜，有軌道梁的建模，也有對下面土體的建模，利用軌道梁與土體接觸面的Z向應(yīng)力來表示所需的承載力，和實際情況是一致的。而且土體的彈模、厚度等參數(shù)，軌道梁的截面及材料參數(shù)都參與了計算，雖劃分網(wǎng)格，計算所需的資源較多，時間較長，但能比較真實的模擬現(xiàn)場的實際情況，而且結(jié)果顯示較詳細(xì)，從軌道輪接觸點為參考點，相對這個點其它位置的力的分布情況能完整的呈現(xiàn)出來，而且和現(xiàn)場實際情況高度吻合，能用來指導(dǎo)現(xiàn)場確定現(xiàn)場方案。

三、上述條形基礎(chǔ)載載力計算優(yōu)化

以上通過三種計算，都能計算出了條形基礎(chǔ)的地基所需的承載力。但詳細(xì)程度與準(zhǔn)確程各不相同。在計算中，實體單元模擬是最能接近實際的，也是最理想的結(jié)果。但在現(xiàn)場施工中，有時為了計算簡便，可能采取了傳統(tǒng)上的簡單手算，由于計算參數(shù)較少，過且理想化，需要加上一定的安全系數(shù)滿足施工需求。其余兩種有限元法只要取其最大值基本滿足現(xiàn)場的施工需要，為施工方案的確定提供參考。只不過實體單元的方法能體現(xiàn)出在軌道梁寬度范圍內(nèi)所需要的承載力的分布，而梁單元法只能在軌道梁長度上提供了最大所需要的承載力，有限元法在計算上比較便捷，但是結(jié)果受地基彈性系數(shù)的參數(shù)限制，所取參數(shù)不準(zhǔn)，可能會出現(xiàn)較大的偏差。

四、設(shè)計行業(yè)條形基礎(chǔ)承載力的計算

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般設(shè)計上部結(jié)構(gòu)是把支座看成是剛性的固定支座，求得支座的反力。在設(shè)計基礎(chǔ)時把反力作用于基礎(chǔ)，用材料力學(xué)的方法求得地基反力后，再對基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形進(jìn)行計算，然后把基礎(chǔ)的反力作用于地基，驗算地承所需的承載力和沉降[3]。條形基礎(chǔ)的計算又分常規(guī)的計算方法和彈性地基梁計算方法。在常規(guī)計算方法里，條形基礎(chǔ)做為梁來進(jìn)行計算，它的支座是有限的，支座的反力是未知的，剛度是無限大的，而實際條形基礎(chǔ)與地基接觸是連續(xù)的，支座是無窮多的，梁與地基是共同變形的，這樣才能滿足其變形協(xié)調(diào)的條件。常用的彈性地基梁法有倒梁法、彈性地基梁法如文克勒地基模型、另外還有有限元法。

總之，無論采用哪種方法，都要根據(jù)上面結(jié)構(gòu)的重要程度及對變形的敏感程度來定，傳統(tǒng)方法簡單但精度差，需要一定的系數(shù)保障，有限元法快捷，但是受地基彈性系數(shù)的影響較大，彈性系數(shù)取值和實際偏差大而計算結(jié)果出入較大?，F(xiàn)場還需要根據(jù)實際情況具體分析，選擇合適的計算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍宏.《軟弱土層上柱下條形基礎(chǔ)的計算方法對比分析》[J]，施工技術(shù). 2019，48（S1）

[2]劉正保，王曉睿.《砌體結(jié)構(gòu)墻下基礎(chǔ)設(shè)計的對稱修正》[J]，山東建筑工程學(xué)院學(xué)報. 2005，（02）

[3]王士杰，張梅，張吉占.M indlin 應(yīng)力解的應(yīng)用理論研究【J】.工程力學(xué)，2001，l8（6）：141—148

作者簡介：

蔣仁國，1974，10-，漢族，男，重慶人，研究生學(xué)歷，高級工程師，專業(yè)方向：隧道施工;

孫德金，1979，8-，漢族，男，吉林農(nóng)安縣人，本科，高級工程師，專業(yè)方向：橋梁施工;

武建林，1982，9-，漢族，男，山東莘縣人，本科學(xué)歷，高級工程師，專業(yè)方向：路橋施工。