軟土地區鐵路橋大直徑群樁基礎的大型厚承臺設計實踐

陳　亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

軟土地區鐵路橋大直徑群樁基礎的大型厚承臺設計實踐

陳亮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要針對軟土地區鐵路橋大直徑超長群樁基礎，以甬江鐵路橋為背景，采用有限元數值分析(三維實體模型)、撐桿-系桿體系、梁式體系3種計算方法對超大樁頭力、不等長樁的鐵路橋梁大型厚承臺進行計算。結果表明，不等長樁的大型厚承臺在強大荷載作用下，基礎位移及基礎變位所致塔頂位移均不顯著，而承臺底面主拉應力較大，需作配筋設計和驗算。

關鍵詞軟土地區鐵路橋群樁基礎大直徑樁超長樁不等長樁大型厚承臺設計與計算

1工程概況

寧波鐵路樞紐北環線甬江特大橋(簡稱甬江鐵路橋)位于浙江省寧波市，橋址處主河槽寬180 m，兩岸為邊灘和陸地，地勢平緩，下游64.8 m處有建成通車、主跨468 m的寧波繞城公路斜拉橋。

甬江鐵路橋主橋采用53 m+50 m+50 m+66 m+468 m+66 m+50 m+50 m+53 m鋼箱混合梁斜拉橋，主跨與公路橋對孔布置，橋型布置見圖1。混凝土主梁伸入中跨24.5 m，其余中跨采用鋼箱主梁[1]。

圖1　主橋橋型布置(尺寸單位：cm)

2大直徑超長群樁基礎設計

索塔區的淤泥質土及流～軟塑黏土為主要的不良工程地質層，含水率高，物理力學性質差，分布厚度較大，北塔、南塔的軟弱層分別厚約25，45 m。基巖埋深達110～130 m，為軟硬不均巖層，巖性較差。

受緊鄰公路橋的基礎布置限制，2索塔承臺順橋向×橫橋向×厚度為27 m×38.9 m×6 m，塔座為高3 m的楔形體，上截面尺寸順橋向×橫橋向為15 m×28.9 m，下截面尺寸順橋向×橫橋向為18.6 m×33.3 m。

樁基礎均采用24根直徑3 m鉆孔灌注樁，順橋向4排，橫橋向6排，縱向樁中心距7.2 m，橫向樁中心距6.7 m，最大樁長132.5 m。索塔基礎布置見圖2。

圖2　索塔基礎布置(單位：cm)

3基于超大樁頭力的承臺檢算

為研究甬江鐵路橋承臺在索塔和群樁反力作用下，承臺內部的應力如何分布，采用有限元數值分析、“梁式(深梁)體系”“撐桿-系桿體系”3種方法相結合并予驗證，對甬江鐵路橋的大型厚承臺進行了檢算。

3.1　承臺有限元數值分析

(1) 計算參數及計算模式。北塔承臺采用C40混凝土，南塔承臺采用C45混凝土，2索塔樁基礎均采用C45混凝土，材料性能指標按文獻[2]取值。

基于ANSYS計算程序，取承臺以及不等長樁基為主體進行建模，承臺用實體單元模擬，樁用梁單元模擬，樁-土效應采用等代彈簧剛度計算的m法來模擬[3]。計算模型總單元數50 962個。

空間梁單元與空間實體單元共用節點時其連接為鉸接，如要剛性連接可通過建立約束方程、設置剛性區、MPC184剛性梁等方法實現。人工編寫約束方程較為繁瑣，MPC184剛性梁連接易產生應力集中。本橋采用CERIG自動建立約束方程的方法，實現了3D梁單元與3D實體單元連接的合理準確模擬。其有限元分析模型見圖3。塔柱傳遞到塔座6個方向的內力通過均布豎向力、均水平力和梯形分布荷載準確模擬。

圖3　群樁基礎有限元空間模型

(2) 主要計算結果

① 位移。針對各種荷載工況(組合)作用下承臺的豎向位移和轉角位移作了計算，選取2種工況下的位移云圖，見圖4。

a)　豎向位移圖：恒載作用

b)豎向位移圖：活載總包絡(對應最大橫橋向剪力組合)

圖4承臺豎向位移云圖

各種荷載工況(組合)作用下，承臺的最大豎向位移不超過4.2 cm，承臺最大橫橋向和順橋向轉角位移分別為0.03°和0.02°，由基礎不均勻沉降造成的塔頂最大水平偏移約為12 mm。

綜合分析位移云圖和計算結果，可見：① 由于長樁底部土層強度較低，且長樁本身發生彈性變形的壓縮量顯著，在強大荷載作用下，承臺會發生豎向位移，而長樁一側承臺豎向位移大，短樁一側承臺豎向位移小，長、短樁的相對位移則引起不均勻沉降(用轉角位移表示)；② 承臺豎向位移、順橋向和橫橋向轉角位移均不顯著；③ 承臺的整體豎向位移、整體轉角位移以及承臺轉角位移引起的塔頂水平偏移，對全橋結構影響在全橋計算中以柔度矩陣的形式已予以考慮[4]。

② 應力。現以零配筋率的混凝土計算承臺應力(名義主拉應力、主壓應力和豎向剪切應力)。圖5列出了主+附組合作用下3種名義應力的應力云圖，表1列出各種最不利組合下的應力結果。

a)最大主拉應力b)最大主壓應力

c)長邊沖切面的d)短邊沖切面的

最大剪切應力最大剪切應力

圖5承臺(不含塔座)應力云圖

表1　基于有限元分析的承臺應力表(不含塔座)MPa

綜合分析承臺的應力計算結果，可見：①承臺頂面主要表現為受壓，最大主壓應力為5.76 MPa，承臺底面主要表現為受拉，最大主拉應力為4.86 MPa；②承臺最大剪切應力發生在塔座下周緣的沖切面上，剪切應力介于1.64～1.66 MPa；③在未配筋的情況，剪應力以及主壓應力都滿足規范要求[3]，而名義主拉應力稍大，需要進行配筋驗算。

3.2　基于“撐桿-系桿體系”的承臺檢算

采用“撐桿-系桿體系”計算方法，本文對承臺進行了按撐桿的抗壓承載力、按系桿的抗拉承載力、斜截面抗剪承載力、沖切承載力(含角樁和邊樁)、主應力、剪應力等檢算，并確定了承臺的合理配筋。

根據計算：承臺順橋向截面最大主拉應力為 0.718 MPa，最大主壓應力為3.447 MPa，最大剪應力為0.514 MPa，最大鋼筋拉應力大小為163.3 MPa，皆在允許應力范圍之內；承臺橫橋向截面最大主拉應力為0.670 MPa，最大主壓應力為4.103 MPa，最大剪應力為0.514 MPa，最大鋼筋拉應力為164.2 MPa，亦皆在允許應力范圍之內。

3.3　基于“梁式體系”的承臺檢算

基于“梁式體系”，承臺按深梁檢算抗剪強度，并計算受拉鋼筋面積。檢算表明：承臺截面尺寸及配筋合理，滿足結構受力要求。

4結語

針對甬江鐵路橋索塔群樁基礎，采用有限元數值分析、梁式(深梁)體系、撐桿-系桿體系完成了鐵路大型厚承臺的檢算。甬江鐵路橋索塔大直徑超長群樁基礎于2012年9月全部完成， 2014年12月，甬江鐵路橋建成通車。該橋設計的成功實踐，可為類似工程的大型厚承臺的設計與計算提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.寧波鐵路樞紐北環線甬江特大橋主橋施工圖設計[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2010.

[2]TB 10002.3-2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[4]劉金礪，黃強，李華，等.豎向荷載下群樁變形性狀及沉降計算[J]. 巖土工程學報，1995，19(6)：9-10.

Design and Practice of Large-scale Thick Pile Cap with Large-diameter

Pile Group Foundation of Railway Bridges in the Soft Soil Area

ChenLiang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：As for the super-long large-diameter pile group foundation of railway bridges in the soft soil area, based on the background of Yongjiang Railway Bridge, three methods including three-dimensional finite element method (3D FEM), strut-tie system and beam system were adopted to calculate the working performance of railway large-scale thick pile cap with unequal-length piles and huge forces on the pile heads in this paper. As to the thick pile cap with unequal-length piles, the results show that the deformations of the foundation and the displacements on the top of the towers are all non-significant, and the principal tensile stress on the bottom of the pile cap is great which means that reinforcement design and calculation should be accomplished.

Key words:soft soil area; railway bridge; pile group foundation; large-diameter piles; super-long pile; unequal-length pile; large-scale thick pile cap; design and calculate

收稿日期：2015-02-23

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.007