墩臺(tái)開裂橋梁基樁承載力驗(yàn)算

劉 得 邦

(蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

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墩臺(tái)開裂橋梁基樁承載力驗(yàn)算

劉 得 邦

(蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

以某鐵路大橋墩臺(tái)開裂工程為例，從堆碴內(nèi)力、堆碴作用下及縱向地震作用下的基樁內(nèi)力三方面，驗(yàn)算了墩臺(tái)開裂橋梁基樁的承載力，結(jié)果表明基樁的應(yīng)力均未超出規(guī)范允許值，并通過現(xiàn)場開挖驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，說明了基樁無明顯病害特征。

橋墩，基樁，堆碴，應(yīng)力

1 工程概況

某鐵路大橋?yàn)?-24 m+3-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋，設(shè)計(jì)列車時(shí)速為120 km/h，下部結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)墩臺(tái)，墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，承臺(tái)強(qiáng)度等級(jí)為C30。

開挖后發(fā)現(xiàn)，在3號(hào)墩底靠線路大里程側(cè)出現(xiàn)一道橫向裂縫；承臺(tái)小里程側(cè)出現(xiàn)兩道斜向裂縫及一道豎向裂縫。對(duì)3號(hào)橋墩周圍環(huán)境進(jìn)行檢查后，初步認(rèn)為裂縫是由于隧道施工棄碴擠壓橋墩造成。

2 檢算內(nèi)容

根據(jù)橋墩目前的病害狀況推算造成橋墩破壞的土壓力大小，根據(jù)推算土壓力值檢算基樁是否出現(xiàn)病害，檢算主要包含以下內(nèi)容：

1)根據(jù)墩底病害推算棄碴土壓力；

2)根據(jù)推算的土壓力計(jì)算基樁承載力；

3)計(jì)算縱向地震作用下的基樁內(nèi)力，并與推算土壓力值下的基樁內(nèi)力進(jìn)行比較。

3 檢算結(jié)果

3.1 堆碴內(nèi)力分析

橋墩混凝土開裂后，開裂部分退出工作，以剩余的混凝土面積作為有效截面推導(dǎo)土壓力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力值。橋墩開裂后的截面特性如下：

混凝土有效截面慣性矩：Ix=4.454 25 m4；混凝土受拉側(cè)至開裂后剩余工作面重心軸的距離：y=1.139 m；開裂區(qū)域受拉側(cè)鋼筋面積：As=5.677×10-3m2。

以橋墩混凝土有效截面和受拉側(cè)鋼筋的承載力作為抗力目標(biāo)值，來推導(dǎo)堆碴壓力作用下墩底內(nèi)力。

以受拉側(cè)混凝土主拉應(yīng)力為控制因素，依據(jù)《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》，C35混凝土的主拉應(yīng)力為σtp=0.83 MPa，混凝土抵抗彎矩M1=3 245.9 kN·m；假設(shè)受拉側(cè)HRB335鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度fs=335 MPa，受拉側(cè)鋼筋至受壓側(cè)鋼筋的距離取L=2.88 m，混凝土抵抗彎矩M2=5 477.2 kN·m。順橋向堆碴壓力產(chǎn)生的彎矩取M=M1+M2=3 245.9+5 477.2=8 723.1 kN·m。

3.2 堆碴作用下的基樁內(nèi)力計(jì)算

堆碴壓力作用下橋墩產(chǎn)生裂縫時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土梁尚未架設(shè)，推算基樁內(nèi)力時(shí)，只計(jì)入橋墩、承臺(tái)及基樁自重?；鶚毒幪?hào)見圖1，圖1中繞x軸旋轉(zhuǎn)的彎矩為橫橋向彎矩，繞y軸旋轉(zhuǎn)的彎矩為順橋向彎矩。

土壓力作用產(chǎn)生的基樁的內(nèi)力值見表1。

表1 基樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1計(jì)算的基樁內(nèi)力值，對(duì)基樁混凝土應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在檢算中，假定混凝土受拉區(qū)不參與工作，拉力全部由鋼筋承擔(dān)?；鶚犊刂茢嗝娴幕炷翂簯?yīng)力及縱向鋼筋拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基樁混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

在《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》中，C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土在中心受壓狀態(tài)下容許應(yīng)力9.4 MPa，在彎曲受壓及偏心受壓狀態(tài)下，容許應(yīng)力為10.0 MPa，HRB335鋼筋在主力作用下檢定容許應(yīng)力為180 MPa。由表2可知，堆碴壓力作用下，基樁混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力均未超限。

3.3 縱向地震作用下的基樁內(nèi)力計(jì)算

1)計(jì)算模型建立。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用midas Civil有限元分析軟件建立單墩模型。3號(hào)墩基樁從上至下穿越12.5 m的塊石土層(細(xì)角礫土)、3 m的強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、9.5 m的弱風(fēng)化灰?guī)r，基底為弱風(fēng)化灰?guī)r。建立模型時(shí)，樁側(cè)約束用等效彈簧進(jìn)行模擬，樁底固結(jié)。參照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，塊石土地基系數(shù)m值的取值范圍為80 000 kPa/m2～120 000 kPa/m2，計(jì)算時(shí)m值取100 000 kPa/m2。模型中，樁側(cè)約束采用彈性支承模擬，單元長度取a=1 m，基礎(chǔ)側(cè)面土抗力計(jì)算寬度為b0=0.9(d+1)(其中，d為樁徑)，節(jié)點(diǎn)彈性支承剛度k=mab0h，其中，h為距離地面的深度?？拐鸱治鰰r(shí)，墩頂以上質(zhì)量施加于墩頂中心。橋墩有限元模型見圖2。

2)荷載計(jì)算。

a.恒載。參照設(shè)計(jì)資料，每孔梁自重為279.3 t，二期恒載為80.81 kN/m。墩頂以上的恒載作用下，3號(hào)墩的墩頂反力為：

N1=80.81×(32.6+0.18)+279.3×9.8=5 386.09 kN。

墩頂接觸網(wǎng)基礎(chǔ)混凝土為1.8 m×1.15 m×0.72 m，容重為25 kN/m3，重力為37.26 kN。

由于該橋位于曲線上，梁中心線相對(duì)于橋墩中線向上游側(cè)偏離40 cm，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，在棄碴壓力作用下墩頂朝線路小里程方向和下游側(cè)產(chǎn)生了近15 cm的位移。墩頂以上的恒載作用所引起的墩底橫橋向彎矩M1橫和順橋向彎矩M1順分別為：

M1橫=5 386.09×(0.4-0.15)=1 346.52 kN·m。

M1順=5 386.09×0.15=807.91 kN·m。

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)混凝土的墩底橫橋向彎矩M2橫和順橋向彎矩M2順分別為：

M2順=37.26×0.15=5.59 kN·m。

b.地震作用。該橋抗震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg=0.4 s。采用midas Civil有限元分析軟件建立單墩模型，依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行多遇地震(0.07g)作用下的基樁強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)，只考慮順橋向多遇地震下的反應(yīng)譜分析，荷載組合只考慮恒載與縱向多遇地震效應(yīng)進(jìn)行組合，并與土壓力產(chǎn)生的基樁效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。

3)地震作用下的基樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。恒載+縱向多遇地震作用下，基樁控制截面的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 基樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3計(jì)算的基樁內(nèi)力值，對(duì)基樁混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。在強(qiáng)度檢算中，假定混凝土受拉區(qū)不參與工作，拉力全部由鋼筋承擔(dān)?；鶚犊刂茢嗝娴幕炷翂簯?yīng)力及縱向鋼筋拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 基樁混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

在《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，考慮地震作用時(shí)，混凝土容許壓應(yīng)力及鋼筋容許拉應(yīng)力提高系數(shù)取值均為1.5?；炷猎谥行氖軌籂顟B(tài)下容許應(yīng)力為14.1 MPa，在彎曲受壓及偏心受壓狀態(tài)下，容許應(yīng)力為15.0 MPa，鋼筋容許拉應(yīng)力為270 MPa。由表4可知，在恒載和地震作用下，基樁混凝土壓應(yīng)力及鋼筋拉應(yīng)力均未超限。

4 現(xiàn)場挖驗(yàn)

恒載+地震作用下產(chǎn)生的墩底彎矩值為7 155.8 kN·m，堆碴土壓力在墩底產(chǎn)生的彎矩為8 723.1 kN·m。推算的土壓力彎矩值大于恒載+地震作用下產(chǎn)生的墩底彎矩值。推算的堆碴土壓力效應(yīng)雖大于恒載+地震組合作用下的效應(yīng)，但通過對(duì)基樁的應(yīng)力分析，結(jié)果均未超出規(guī)范允許值，基樁應(yīng)無明顯病害特征?，F(xiàn)場對(duì)基樁進(jìn)行了開挖檢查，樁頂混凝土的狀態(tài)完好，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

[1] TB 10002.3—2005,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].

[2] TB 10002.5—2005,鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Pier cracking bridge foundation pile bearing capacity checking calculation

Liu Debang

(LanzhouUniversityofTraffic,Lanzhou730070,China)

Taking the railway bridge pier cracking engineering as an example, starting from three aspects of muck bank internal-force, foundation pile internal force under the action of muck bank and vertical earthquake, the thesis checks and calculates the pier cracking bridge foundation pile bearing capacity. Results show that: the foundation pile stress doesn't go beyond the permitted value. Through in-situ excavation, it testifies the calculation results accurate, and illustrates the foundation pile health.

pier, foundation pile, muck bank, stress

1009-6825(2017)07-0157-03

2016-12-25

劉得邦(1991- )，男，在讀碩士

U443.15

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