李敏峰 李 穎 馬丁紅
(1.河北建筑工程學(xué)院土木系,河北 張家口075024;2.北方工程設(shè)計(jì)研究院建筑工程設(shè)計(jì)五所,河北 石家莊050000;3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)
在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,關(guān)于橋臺(tái)的選型可根據(jù)主梁的跨徑、路基的填土高度、橋臺(tái)位置地質(zhì)情況的不同而采取不同的形式.常見(jiàn)的橋臺(tái)形式有重力式橋臺(tái),輕型橋臺(tái),框架式橋臺(tái)和組合式橋臺(tái)[1].隨著公路和鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)的提高,高速鐵路和公路中的橋梁結(jié)構(gòu)的形式在寬度上逐漸增大,使得橋臺(tái)的選型成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要進(jìn)一步思考的問(wèn)題.目前在工程實(shí)際當(dāng)中,空心橋臺(tái)已有使用.
當(dāng)雙線(xiàn)鐵路并行時(shí),橋臺(tái)的橫向尺寸均較大,隨之橋臺(tái)自重及圬工數(shù)量也會(huì)增大.為減少橋臺(tái)自重并節(jié)約圬工,臺(tái)身可采用空心截面.而空心橋臺(tái)的優(yōu)越性在于充分利用了混凝土和鋼筋的材料性能,進(jìn)而可以節(jié)省材料,并能減輕自重,減少圬工,降低對(duì)地基承載力的要求[2].因此在進(jìn)行雙線(xiàn)橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí),U型橋臺(tái)適用于填土高度較低的橋臺(tái);而T型空心橋臺(tái)適用于填土高度較高的橋臺(tái).
本文結(jié)合各種形式的橋臺(tái)的適用范圍,選擇U型橋臺(tái)這一適用于橋面較寬情況的橋臺(tái)與T型空心橋臺(tái)進(jìn)行分析比較;通過(guò)對(duì)具有相近輪廓尺寸的T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢算,隨著臺(tái)后填土高度的增加,比較驗(yàn)證空心橋臺(tái)在高橋臺(tái)情況下具有自重更小,對(duì)地基承載力要求更低的優(yōu)點(diǎn),進(jìn)而探討T型空心橋臺(tái)相對(duì)U型橋臺(tái)的適用性.
Ⅰ級(jí)雙線(xiàn)鐵路上的直線(xiàn)橋,線(xiàn)間距取為5.6~6.0 m,跨度為16 m的鋼筋混凝土組合式箱梁,橋臺(tái)材料臺(tái)身和基礎(chǔ)采用C20混凝土,容重γ均為23 k N/m3,E=2.55×104MPa,[σ]=7.8 MPa;臺(tái)帽及背墻采用C25混凝土.基礎(chǔ)的入土深度為1 m,基底以上土的重度γ=17 k N/m3,硬質(zhì)巖石地基,基本承載力為[σ]=1.5 MPa~3 MPa.設(shè)計(jì)荷載為中-活載.
橋臺(tái)頂帽及其前墻構(gòu)造要求橫向?qū)挾冗_(dá)10.2 m~11 m,兩片箱梁邊支座橫向中心距8.1 m~8.5 m;橋臺(tái)后墻構(gòu)造要求寬度可取為8 m左右,擬采用T型空心橋臺(tái).該空心橋臺(tái)設(shè)計(jì)的基本構(gòu)思是:將2個(gè)單線(xiàn)T形橋臺(tái)進(jìn)行組合形成臺(tái)身,再通過(guò)頂帽及臺(tái)后擋板將臺(tái)身形成一個(gè)閉合箱形截面;臺(tái)長(zhǎng)根據(jù)T型橋臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)圖確定.為保證設(shè)計(jì)和計(jì)算所得結(jié)果的可比性,U型橋臺(tái)的尺寸擬定與T型空心橋臺(tái)的尺寸相近[3-6].
設(shè)計(jì)T型橋臺(tái)和U型橋臺(tái)構(gòu)造如圖所示:
圖1 T型空心橋臺(tái)構(gòu)造(單位:cm)
圖2 U型橋臺(tái)構(gòu)造(單位:cm)
1)橋臺(tái)類(lèi)型:U型和T形空心橋臺(tái).
2)填土高度:4 m~12 m.
針對(duì)U型橋臺(tái)和T形空心橋臺(tái)在填土高度變化時(shí),進(jìn)行自重、臺(tái)底和基底的應(yīng)力及偏心、傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定性的對(duì)比分析.
隨著臺(tái)后填土高度的增大,T型空心橋臺(tái)臺(tái)身和基礎(chǔ)沿臺(tái)長(zhǎng)方向的尺寸都會(huì)改變;U型橋臺(tái)除臺(tái)身和基礎(chǔ)沿橋臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)方向的尺寸會(huì)改變外,臺(tái)身翼墻橫橋向的尺寸也會(huì)改變.兩類(lèi)橋臺(tái)尺寸參數(shù)如表1.
1)垂直荷載:線(xiàn)路設(shè)備(q=150 k N/m)、
橋跨自重、臺(tái)頂和臺(tái)身自重、基礎(chǔ)自重、覆土自重、橋跨活載支座反力等.
2)活載及其布置
設(shè)計(jì)活載采用中-活載;對(duì)于橋臺(tái)的臺(tái)底和基底應(yīng)力及偏心檢算,應(yīng)該按照前端和后端分別進(jìn)行.直線(xiàn)橋臺(tái)活載布置形式有以下幾種;橋臺(tái)的前端的應(yīng)力和偏心檢算采用活載布置I,臺(tái)底和基底后端的應(yīng)力檢算采用活載布置II,臺(tái)底和基底后端的偏心采用活載布置III;橋臺(tái)及其基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算采用活載布置情況Ⅳ.
表1 不同填土高度下橋臺(tái)尺寸及參數(shù)(單位:m)
圖3 活載布置示意(單位:m)
3)列車(chē)制動(dòng)力(或牽引力)和土壓力的計(jì)算按照規(guī)范要求計(jì)算.
在進(jìn)行臺(tái)底截面的應(yīng)力計(jì)算時(shí),使橋臺(tái)所受的全部荷載均簡(jiǎn)化至臺(tái)尾在基頂面上投影點(diǎn)A上;進(jìn)行基底截面應(yīng)力檢算時(shí),基底以上全部荷載均簡(jiǎn)化至臺(tái)后基底邊中心A'處,如圖1和圖2.
參考規(guī)范[7-8]中計(jì)算橋臺(tái)臺(tái)底與基底應(yīng)力,偏心及穩(wěn)定性系數(shù)的公式對(duì)兩種橋臺(tái)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)容許值,然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析.
根據(jù)上述荷載、應(yīng)力、偏心和穩(wěn)定性的計(jì)算原理進(jìn)行計(jì)算,得到相應(yīng)值的計(jì)算結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行整理和分析如下.
1)自重
兩種橋臺(tái)自重隨填土高度變化如圖4所示.由圖可知:當(dāng)填土高度H<6 m時(shí),T型空心橋臺(tái)的自重比U型橋臺(tái)的自重大;當(dāng)填土高度H≥6 m時(shí),T型空心橋臺(tái)的自重比U型橋臺(tái)的自重小,且其橋臺(tái)的自重隨填土高變化的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)明顯比T型空心橋臺(tái)要大.
2)應(yīng)力結(jié)果分析
橋臺(tái)臺(tái)底和基底截面應(yīng)力由主力組合控制.
運(yùn)用公式(1)~(3)計(jì)算得到兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底應(yīng)力,并將隨填土高度變化的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果繪于圖5.
應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果表明:兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底最大應(yīng)力值均滿(mǎn)足σ≤[σ]的要求.由圖中可知,兩種橋臺(tái)臺(tái)底應(yīng)力和基底應(yīng)力均隨填土高度增大而增大,且變化的規(guī)律相似.隨著填土高度的增大,臺(tái)底、基底前端和后端最大應(yīng)力值,U型橋臺(tái)均大于T型空心橋臺(tái).其中,臺(tái)底和基底前端最大應(yīng)力的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)要大于T型空心橋臺(tái);但其后端最大應(yīng)力值的增長(zhǎng)率U型橋臺(tái)與T型空心橋臺(tái)相近.
3)臺(tái)底和基底偏心分析
橋臺(tái)臺(tái)底、基底的合力偏心檢算由主力加附加力組合控制.
運(yùn)用公式(4)~(6)計(jì)算臺(tái)底和基底的偏心值,并將隨填土高度變化的臺(tái)底和基底偏心計(jì)算結(jié)果繪于圖6,圖7.
圖5 臺(tái)底、基底應(yīng)力隨填土高度變化曲線(xiàn)
圖6 臺(tái)底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線(xiàn)
圖7 基底前端、后端偏心值隨填土高度變化曲線(xiàn)
從圖中可知,當(dāng)填土高度H由4 m增至12 m時(shí),兩種橋臺(tái)的臺(tái)底和基底的前、后端的偏心計(jì)算值均增大,但變化率較小;隨著臺(tái)后填土高度的增大,臺(tái)底和基底的前、后端偏心容許值的增大率遠(yuǎn)大于計(jì)算值的增大率.
4)穩(wěn)定性分析
運(yùn)用公式(7)~(8)計(jì)算兩種橋臺(tái)的傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)值,并將其隨填土高度變化的曲線(xiàn)繪于圖8中.
穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果表明:隨著臺(tái)后填土高度的增大,T型空心橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.5;滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3,并且逐漸趨于穩(wěn)定;U型橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)恒大于1.5且趨勢(shì)上升;滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3,但趨勢(shì)下降,隨著填土高度的繼續(xù)增大,其滑動(dòng)穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備越來(lái)越小.
圖8 傾覆和滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)隨填土高度變化曲線(xiàn)
根據(jù)以上討論:
1)從兩種橋臺(tái)的自重分析可知:隨著臺(tái)后填土高度的增大,U型橋臺(tái)比T型空心橋臺(tái)的自重增長(zhǎng)率明顯要大.這充分說(shuō)明了隨著填土高度的進(jìn)一步增大,T型空心橋臺(tái)會(huì)更加顯現(xiàn)出自重小的優(yōu)點(diǎn).
2)從臺(tái)底和基底的應(yīng)力分析可知:基底前端應(yīng)力的最大值T型空心橋臺(tái)為359.54 kPa,可以選擇中密或密實(shí)的粗砂土層作為持力層;U型橋臺(tái)為966.38 k Pa,需要選擇密實(shí)的卵石土層作為持力層,但在填土高度大于10 m時(shí),基底出現(xiàn)了拉應(yīng)力,需選擇巖層作為持力層.這進(jìn)一步說(shuō)明了T型空心橋臺(tái)比U型橋臺(tái)對(duì)地基承載力的要求要低.
3)從臺(tái)底和基底的偏心分析可知:隨填土高度的增加,兩中橋臺(tái)的臺(tái)底和基底偏心的增長(zhǎng)率要小于相應(yīng)容許偏心的增長(zhǎng)率,可以確定二者的偏心恒保持在允許范圍.
4)從穩(wěn)定性分析可知:隨填土高度的增大,T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)的傾覆穩(wěn)定系數(shù)均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小,安全儲(chǔ)備逐漸降低.
總之,通過(guò)對(duì)T型空心橋臺(tái)和U型橋臺(tái)的自重、臺(tái)身和基礎(chǔ)強(qiáng)度、偏心和基礎(chǔ)穩(wěn)定性的計(jì)算和綜合比較,得到如下結(jié)論:當(dāng)臺(tái)后填土高度4 m≤H<6 m時(shí),采用U型橋臺(tái)更為合適;當(dāng)臺(tái)后填土高度6 m≤H≤12 m時(shí),采用T型空心橋臺(tái)更為合適.
在雙線(xiàn)鐵路直線(xiàn)橋梁的設(shè)計(jì)中,尤其是在臺(tái)后填土較高時(shí),可以?xún)?yōu)先考慮選擇空心橋臺(tái)這種橋臺(tái)類(lèi)型.當(dāng)基底應(yīng)力和偏心檢算不滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí),還可以考慮用樁基代替淺基礎(chǔ),以確保橋臺(tái)基礎(chǔ)的承載能力、穩(wěn)定和沉降控制要求.
[1]劉偉,李正祥,何庭國(guó),等.客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路橋臺(tái)設(shè)計(jì)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007,2(2):61~64
[2]羅道明.空心橋臺(tái)在特殊情況下的應(yīng)用[J].山西建筑,2005,31(3):204
[3]張偉.鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)混凝土空心橋臺(tái)裂紋分析與防治[J].路基工程,2008,2:137~139
[4]陳洪林.重力式 U型橋臺(tái)基底承載力計(jì)算[J].湖南交通科技,2009,35(2):98~101
[5]汪亞琴.確定U型橋臺(tái)基本結(jié)構(gòu)尺寸的簡(jiǎn)單方法[J].吉林交通科技,2001,3:26~29
[6]TB 10002.3-99.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]
[7]TB 10002.5-2005.鐵路橋涵混凝土和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]
[8]TB 10002.5-2005.鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]