抗拔樁在鐵路簡支梁靜載彎曲試驗中的應用

徐秀山

1 靜載試驗概述

根據《預應力混凝土鐵路橋簡支梁產品生產許可證實施細則》的規定，鐵路橋簡支梁應進行靜載彎曲試驗，以驗證梁體剛度、抗裂性及預應力度，試驗方法按照TB/T 2092-2003預應力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準(以下簡稱試驗標準)執行。在試驗標準中，計算跨度L≥8 m梁等效集中荷載采用5點加載，跨中設一集中荷載，其余在其左右對稱布置，各荷載縱向間距均為4 m。哈大鐵路客運專線32.6 m箱梁計算跨徑 L=31.5 m，靜載試驗加載點在梁頂雙排布置，位于梁頂腹板中心線處，共計10點。通常由于單點集中荷載很大(100 t～150 t)，常用的加載方法很難實現，為此合理的加載方法成為靜載彎曲試驗成功與否的關鍵。

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。石太客運專線及甬臺溫客運專線的靜載試驗采用鋼桁梁反力架，桁架兩端分別固定于梁體兩端。由于集中荷載總計高達11 000 kN，跨度長達32 m，鋼桁架結構長4 690 mm，寬9 580 mm，體積非常龐大，反力架重量約200 t，造價 200萬元(見圖1)。

為了降低試驗投入，本文以抗拔樁在哈大鐵路客運專線靜載彎曲試驗中的應用為例，介紹了抗拔樁在靜載試驗中的運用。

3 抗拔樁加載裝置設計

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，樁內灌注C30混凝土。樁基內設置12Φ 16 mm通長主筋，主筋沿樁身周邊均勻布置，保護層為70 mm;箍筋為φ 8@200 mm，并采用螺旋式纏繞，在樁頂100 cm范圍內箍筋間距加密至100 mm;鋼筋籠內每隔1.5 m設置一道Φ 16 mm焊接加強箍筋。

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

梁頂每個加載斷面設置2個200 t千斤頂，其上設置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，兩端每個加載點上設置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預埋的精軋螺紋鋼筋連接。

4 計算單側加載集中力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——未完成的預應力損失的補償彎矩。詳見通橋(2008 年)2332A-Ⅱ-HD-001，σL6=89.83 MPa，σL5=14.69 M Pa;按時間 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——加載設備質量對跨中彎矩。在“3抗拔樁加載裝置設計”中每個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)單側加載值 P。P=P1.2/2=1 122.8 kN，為此每個加載點設置1臺200 t千斤頂。

5 樁基抗拔能力驗算

根據地質鉆探資料，樁基深度范圍內的地質為弱風化石灰巖。根據JGJ 94-2008建筑樁基技術規程5.4.6條，基樁抗拔極限承載力標準值可按下式計算:Tuk= ∑λiqsikuili。其中，Tuk為基樁抗拔極限承載力標準值;λi為抗拔系數，取0.8;qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值，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，樁基抗拔驗算滿足要求。

6 精軋螺紋鋼筋受拉驗算

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，鋼筋抗拉驗算滿足要求。

7 精軋螺紋鋼筋抗拔驗算

由GB 50010-2002混凝土結構設計規范9.3.1條，受拉鋼筋的錨固長度應按下式計算:la=α fyd/ft。其中，la為受拉鋼筋的錨固長度;fy為鋼筋的抗拉強度設計值，取930 MPa;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，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，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算滿足要求。

8 橫梁受力驗算

1)橫梁抗彎驗算。

橫梁采用12根Ⅰ28b工字鋼雙層六排疊置，承受彎矩作用，應對抗彎能力進行驗算。

單根Ⅰ28b工字鋼參數為: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

樁基施工完成后，抗拔力必須經過試驗驗證。經過試驗單根樁基的抗拔力大于2 000 kN，滿足要求。

10 結語

目前高速鐵路及客運專線鐵路建設已進入高速發展期，箱梁靜載彎曲試驗中常用的鋼桁架結構反力架，因為體積龐大，造價高昂，轉場困難等缺點，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專線土城子梁場靜載彎曲試驗中的成功應用，驗證了抗拔樁方案的可行性。另外由于抗拔樁能適應不同地質條件要求，且加載機構設計簡單、材料易得、組裝簡便，經濟效益十分明顯，具有較高推廣應用價值。

[1] TB/T 2092-2003，預應力混凝土鐵路簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3] GB 50010-2002，混凝土結構設計規范[S].