抗拔樁在鐵路簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)中的應(yīng)用

徐秀山

1 靜載試驗(yàn)概述

根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡支梁產(chǎn)品生產(chǎn)許可證實(shí)施細(xì)則》的規(guī)定，鐵路橋簡支梁應(yīng)進(jìn)行靜載彎曲試驗(yàn)，以驗(yàn)證梁體剛度、抗裂性及預(yù)應(yīng)力度，試驗(yàn)方法按照TB/T 2092-2003預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))執(zhí)行。在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，計(jì)算跨度L≥8 m梁等效集中荷載采用5點(diǎn)加載，跨中設(shè)一集中荷載，其余在其左右對稱布置，各荷載縱向間距均為4 m。哈大鐵路客運(yùn)專線32.6 m箱梁計(jì)算跨徑 L=31.5 m，靜載試驗(yàn)加載點(diǎn)在梁頂雙排布置，位于梁頂腹板中心線處，共計(jì)10點(diǎn)。通常由于單點(diǎn)集中荷載很大(100 t～150 t)，常用的加載方法很難實(shí)現(xiàn)，為此合理的加載方法成為靜載彎曲試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。

2 加載裝置

由于荷載很大，加載裝置一般采用鋼桁架或鋼梁作為反力架，大噸位千斤頂頂緊桁架，反力作用于梁體，作為加載的集中荷載。石太客運(yùn)專線及甬臺溫客運(yùn)專線的靜載試驗(yàn)采用鋼桁梁反力架，桁架兩端分別固定于梁體兩端。由于集中荷載總計(jì)高達(dá)11 000 kN，跨度長達(dá)32 m，鋼桁架結(jié)構(gòu)長4 690 mm，寬9 580 mm，體積非常龐大，反力架重量約200 t，造價(jià) 200萬元(見圖1)。

為了降低試驗(yàn)投入，本文以抗拔樁在哈大鐵路客運(yùn)專線靜載彎曲試驗(yàn)中的應(yīng)用為例，介紹了抗拔樁在靜載試驗(yàn)中的運(yùn)用。

3 抗拔樁加載裝置設(shè)計(jì)

加載裝置總裝配圖見圖2。

抗拔樁基直徑為100 cm，樁長為900 cm，采用挖孔灌注樁工藝施工，樁內(nèi)灌注C30混凝土。樁基內(nèi)設(shè)置12Φ 16 mm通長主筋，主筋沿樁身周邊均勻布置，保護(hù)層為70 mm;箍筋為φ 8@200 mm，并采用螺旋式纏繞，在樁頂100 cm范圍內(nèi)箍筋間距加密至100 mm;鋼筋籠內(nèi)每隔1.5 m設(shè)置一道Φ 16 mm焊接加強(qiáng)箍筋。

樁基內(nèi)預(yù)埋通長 2Φ 32 mm精軋螺紋鋼筋，并露出樁頂50 cm。為了防止應(yīng)力集中使鋼筋周邊的混凝土破壞，鋼筋在樁頂1 m以下范圍內(nèi)套上φ 40 cm PVC管，使鋼筋與混凝土分離，同時(shí)在其外通長設(shè)置φ 8 mm螺旋鋼筋，間距10 cm。

梁頂每個(gè)加載斷面設(shè)置2個(gè)200 t千斤頂，其上設(shè)置3根Ⅰ20b工字鋼作為加載下分配梁。橫梁采用雙層六排疊置的Ⅰ28b工字鋼，共12根，兩端每個(gè)加載點(diǎn)上設(shè)置2Ⅰ20b工字鋼作為加載上分配梁。加載鋼墊采用2根Ⅰ16工字鋼，精軋螺紋鋼筋上端利用螺栓錨固在鋼墊上，下端利用連接器與樁基內(nèi)預(yù)埋的精軋螺紋鋼筋連接。

4 計(jì)算單側(cè)加載集中力P值

1)α——等效力臂。M=RL/2- ∑Pi×Xi=2.5P×31.5/2-(P×8+P×4)=27.375P。α=M/P=27.375 m。

2)Mz——梁體質(zhì)量對跨中彎矩。詳見通橋(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Mz=30 618.86 kN?m。

3)Md——二期恒載質(zhì)量對跨中彎矩。詳見通橋(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Md=19 845 kN?m(含防水層 、保護(hù)層 Mf)。

4)Mh——活載對跨中彎矩。詳見通橋(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Mh=24 164.75 kN?m。

5)ΔMs——未完成的預(yù)應(yīng)力損失的補(bǔ)償彎矩。詳見通橋(2008 年)2332A-Ⅱ-HD-001，σL6=89.83 MPa，σL5=14.69 M Pa;按時(shí)間 40 d考慮，η1=0.43，η2=1.0;Ay=0.035 7 m2，Ag=0，W0=5.584 092 m3，A0=8.825 09 m2，e0=1.608 2 m。Δσs=(1-η1)σL6+(1-η2)σL5=51.203 1 MPa。ΔMs=Δσs×(Ay+Ag)×(W0/A0+e0)×103=4 096.349 kN?m。

6)Ms——加載設(shè)備質(zhì)量對跨中彎矩。在“3抗拔樁加載裝置設(shè)計(jì)”中每個(gè)集中荷載橫斷面處安裝的加載裝置重量為5 690 kg。G1=5 690×10/1 000=56.9 kN。Ms=5G1/2×31.5/2-G1×8-G1×4=1 557.6 kN?m。

7)K=1.2加載級下跨中彎矩。M1.2=1.2×(Mz+Md+Mh+Mf)+ΔMs-Mz-Ms=61 474.2 kN?m。

8)加載值P1.2。P1.2=M1.2/α=2 245.6 kN。

9)單側(cè)加載值 P。P=P1.2/2=1 122.8 kN，為此每個(gè)加載點(diǎn)設(shè)置1臺200 t千斤頂。

5 樁基抗拔能力驗(yàn)算

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，樁基深度范圍內(nèi)的地質(zhì)為弱風(fēng)化石灰?guī)r。根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)程5.4.6條，基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:Tuk= ∑λiqsikuili。其中，Tuk為基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;λi為抗拔系數(shù)，取0.8;qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取130 kPa;ui為樁身周長，對于等直徑樁取 u=πd;li為樁周第i層土的厚度。Tuk=0.8×130×π×1×9=2 939 kN＞P=1 122.8 kN，樁基抗拔驗(yàn)算滿足要求。

6 精軋螺紋鋼筋受拉驗(yàn)算

單根Φ 32 mm鋼筋拉力:803.84×930=747 571 N=747.571 kN。

2根Φ 32 mm鋼筋拉力:747.571×2=1 495.1 kN＞P=1 122.8 kN，鋼筋抗拉驗(yàn)算滿足要求。

7 精軋螺紋鋼筋抗拔驗(yàn)算

由GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范9.3.1條，受拉鋼筋的錨固長度應(yīng)按下式計(jì)算:la=α fyd/ft。其中，la為受拉鋼筋的錨固長度;fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取930 MPa;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C30混凝土取1.43 MPa;d為鋼筋的公稱直徑，取32 mm;α為鋼筋的外形系數(shù)，帶肋鋼筋取0.14。la=0.14×930×32/1.43=2 913 mm＜9 000 mm，精軋螺紋鋼筋抗拔驗(yàn)算滿足要求。

8 橫梁受力驗(yàn)算

1)橫梁抗彎驗(yàn)算。

橫梁采用12根Ⅰ28b工字鋼雙層六排疊置，承受彎矩作用，應(yīng)對抗彎能力進(jìn)行驗(yàn)算。

單根Ⅰ28b工字鋼參數(shù)為:慣性矩 Iy=3 638 000 mm4，截面面積 A=6 097 mm2，截面高度 H=280 mm。

I=12(Iy+A×a2)=12×(3 638 000+6 097×1402)=1 477 670 400 mm4，其中 a=H/2=140 mm。

M=P×L=1 122.8×(7.67-6.24)/2=802.8 kN?m。

σ=M×H/I=802.8×103×0.28/(1 477 670 400×10-12)=152 MPa＜[σ]=215 MPa，抗彎能力滿足要求。

2)橫梁抗剪驗(yàn)算。

橫梁承受剪力 Q=P=1 122.8 kN，τ=Q/A=1 122.8×103/(12×6 097×10-6)=15.3 MPa＜[τ]=125 MPa，抗剪能力滿足要求。

9 樁基抗拔試驗(yàn)

樁基施工完成后，抗拔力必須經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過試驗(yàn)單根樁基的抗拔力大于2 000 kN，滿足要求。

10 結(jié)語

目前高速鐵路及客運(yùn)專線鐵路建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展期，箱梁靜載彎曲試驗(yàn)中常用的鋼桁架結(jié)構(gòu)反力架，因?yàn)轶w積龐大，造價(jià)高昂，轉(zhuǎn)場困難等缺點(diǎn)，已越來越不能滿足工程需要。本文通過抗拔樁在哈大鐵路客運(yùn)專線土城子梁場靜載彎曲試驗(yàn)中的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了抗拔樁方案的可行性。另外由于抗拔樁能適應(yīng)不同地質(zhì)條件要求，且加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、材料易得、組裝簡便，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] TB/T 2092-2003，預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].