墩臺開裂橋梁基樁承載力驗算

劉 得 邦

(蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

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墩臺開裂橋梁基樁承載力驗算

劉 得 邦

(蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

以某鐵路大橋墩臺開裂工程為例，從堆碴內力、堆碴作用下及縱向地震作用下的基樁內力三方面，驗算了墩臺開裂橋梁基樁的承載力，結果表明基樁的應力均未超出規范允許值，并通過現場開挖驗證了計算結果的準確性，說明了基樁無明顯病害特征。

橋墩，基樁，堆碴，應力

1 工程概況

某鐵路大橋為1-24 m+3-32 m預應力混凝土簡支T梁橋，設計列車時速為120 km/h，下部結構為樁基礎墩臺，墩身混凝土強度等級為C35，承臺強度等級為C30。

開挖后發現，在3號墩底靠線路大里程側出現一道橫向裂縫；承臺小里程側出現兩道斜向裂縫及一道豎向裂縫。對3號橋墩周圍環境進行檢查后，初步認為裂縫是由于隧道施工棄碴擠壓橋墩造成。

2 檢算內容

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

1)根據墩底病害推算棄碴土壓力；

2)根據推算的土壓力計算基樁承載力；

3)計算縱向地震作用下的基樁內力，并與推算土壓力值下的基樁內力進行比較。

3 檢算結果

3.1 堆碴內力分析

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土壓力作用下產生的內力值。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；混凝土受拉側至開裂后剩余工作面重心軸的距離：y=1.139 m；開裂區域受拉側鋼筋面積：As=5.677×10-3m2。

以橋墩混凝土有效截面和受拉側鋼筋的承載力作為抗力目標值，來推導堆碴壓力作用下墩底內力。

以受拉側混凝土主拉應力為控制因素，依據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》，C35混凝土的主拉應力為σtp=0.83 MPa，混凝土抵抗彎矩M1=3 245.9 kN·m；假設受拉側HRB335鋼筋達到極限強度fs=335 MPa，受拉側鋼筋至受壓側鋼筋的距離取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力計算

堆碴壓力作用下橋墩產生裂縫時，預應力混凝土梁尚未架設，推算基樁內力時，只計入橋墩、承臺及基樁自重。基樁編號見圖1，圖1中繞x軸旋轉的彎矩為橫橋向彎矩，繞y軸旋轉的彎矩為順橋向彎矩。

土壓力作用產生的基樁的內力值見表1。

表1 基樁內力計算結果

根據表1計算的基樁內力值，對基樁混凝土應力和鋼筋拉應力進行計算。在檢算中，假定混凝土受拉區不參與工作，拉力全部由鋼筋承擔。基樁控制斷面的混凝土壓應力及縱向鋼筋拉應力計算結果見表2。

表2 基樁混凝土壓應力及鋼筋拉應力計算結果 MPa

在《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》中，C30鋼筋混凝土結構中混凝土在中心受壓狀態下容許應力9.4 MPa，在彎曲受壓及偏心受壓狀態下，容許應力為10.0 MPa，HRB335鋼筋在主力作用下檢定容許應力為180 MPa。由表2可知，堆碴壓力作用下，基樁混凝土壓應力及鋼筋拉應力均未超限。

3.3 縱向地震作用下的基樁內力計算

1)計算模型建立。

根據設計資料，采用midas Civil有限元分析軟件建立單墩模型。3號墩基樁從上至下穿越12.5 m的塊石土層(細角礫土)、3 m的強風化灰巖、9.5 m的弱風化灰巖，基底為弱風化灰巖。建立模型時，樁側約束用等效彈簧進行模擬，樁底固結。參照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》，塊石土地基系數m值的取值范圍為80 000 kPa/m2～120 000 kPa/m2，計算時m值取100 000 kPa/m2。模型中，樁側約束采用彈性支承模擬，單元長度取a=1 m，基礎側面土抗力計算寬度為b0=0.9(d+1)(其中，d為樁徑)，節點彈性支承剛度k=mab0h，其中，h為距離地面的深度。抗震分析時，墩頂以上質量施加于墩頂中心。橋墩有限元模型見圖2。

2)荷載計算。

a.恒載。參照設計資料，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。

墩頂接觸網基礎混凝土為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，梁中心線相對于橋墩中線向上游側偏離40 cm，經過現場檢測，在棄碴壓力作用下墩頂朝線路小里程方向和下游側產生了近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。

接觸網基礎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。該橋抗震設防烈度7度，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期Tg=0.4 s。采用midas Civil有限元分析軟件建立單墩模型，依據《鐵路工程抗震設計規范》進行多遇地震(0.07g)作用下的基樁強度驗算。計算時，只考慮順橋向多遇地震下的反應譜分析，荷載組合只考慮恒載與縱向多遇地震效應進行組合，并與土壓力產生的基樁效應進行對比。

3)地震作用下的基樁內力計算結果。恒載+縱向多遇地震作用下，基樁控制截面的內力計算結果見表3。

表3 基樁內力計算結果

根據表3計算的基樁內力值，對基樁混凝土應力和鋼筋應力進行計算。在強度檢算中，假定混凝土受拉區不參與工作，拉力全部由鋼筋承擔。基樁控制斷面的混凝土壓應力及縱向鋼筋拉應力計算結果見表4。

表4 基樁混凝土壓應力及鋼筋拉應力計算結果 MPa

在《鐵路工程抗震設計規范》中，考慮地震作用時，混凝土容許壓應力及鋼筋容許拉應力提高系數取值均為1.5。混凝土在中心受壓狀態下容許應力為14.1 MPa，在彎曲受壓及偏心受壓狀態下，容許應力為15.0 MPa，鋼筋容許拉應力為270 MPa。由表4可知，在恒載和地震作用下，基樁混凝土壓應力及鋼筋拉應力均未超限。

4 現場挖驗

恒載+地震作用下產生的墩底彎矩值為7 155.8 kN·m，堆碴土壓力在墩底產生的彎矩為8 723.1 kN·m。推算的土壓力彎矩值大于恒載+地震作用下產生的墩底彎矩值。推算的堆碴土壓力效應雖大于恒載+地震組合作用下的效應，但通過對基樁的應力分析，結果均未超出規范允許值，基樁應無明顯病害特征。現場對基樁進行了開挖檢查，樁頂混凝土的狀態完好，未發現開裂現象。

[1] 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].

[2] TB 10002.5—2005,鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[3] GB 50111—2006,鐵路工程抗震設計規范[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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