盧緒慶

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津市 300142）

1 概述

樁蓋板橋涵，顧名思義，指的是樁基+蓋板的跨越結(jié)構(gòu)，跨徑大時(shí)為橋，跨徑小時(shí)為涵，常用于鐵路或公路跨越不可遷改的地下管線（自來水管、石油、天燃?xì)夤芫€等）、地下結(jié)構(gòu)物（暗涵、地鐵、建筑物基礎(chǔ)等）及小河流等，有時(shí)也應(yīng)用于既有橋涵接長結(jié)構(gòu)，見圖1。相比于橋梁跨越以上結(jié)構(gòu)，樁蓋板結(jié)構(gòu)具有對(duì)線路填高要求低、結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)；相比于常用的框架涵、蓋板涵，樁蓋板結(jié)構(gòu)具有不遷改管線、基礎(chǔ)承載力高、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。因此，樁蓋板橋涵結(jié)構(gòu)在鐵路、公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。本文系根據(jù)工作中已設(shè)計(jì)的幾座樁蓋板橋涵結(jié)構(gòu)，對(duì)樁蓋板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行總結(jié)與討論。

圖1 典型樁蓋板橋涵斷面

2 樁蓋板結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

樁蓋板主要有蓋板、條形承臺(tái)梁、樁基及附屬結(jié)構(gòu)四部分組成。

2.1 蓋板構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1.1 板的布設(shè)

當(dāng)樁蓋板涵軸線與線路中線正交時(shí)，蓋板一般采用如圖2(a)所示的正交正做布設(shè)方式，當(dāng)軸線與中線斜交時(shí)按進(jìn)出口形式有兩種布設(shè)方式，一種斜交正做（見圖2(b)），一種為斜交斜做，其中，斜交斜做又分為兩種布設(shè)方式，第一種為按平行于中線方向布設(shè)斜交板（見圖2(c)），第二種為涵身布設(shè)正交板，兩端進(jìn)出口布設(shè)梯形板（見圖2(d)）。

圖2 蓋板布設(shè)方式

斜交正做的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)施工方便，出入口便于施做檢查井，缺點(diǎn)在于浪費(fèi)了一些涵長及材料，外形也不美觀，適用于接長斜交正做的既有橋涵、涵洞兩側(cè)設(shè)置檢查井及預(yù)留增二線條件等的情況；斜交斜做外形美觀，與路基邊坡銜接自然，節(jié)省材料，適用于接長斜交斜做既有橋涵或者對(duì)洞口有空間、外觀要求的橋涵。斜交斜做兩種布設(shè)方式中，在采用相同板長和相同斜度的條件下，第二種布設(shè)方式可增大涵洞的凈寬，同時(shí)，該布設(shè)方式適應(yīng)性強(qiáng)，便于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制施工，因此是目前鐵、公路斜交涵通用圖所通常采用的布設(shè)形式。具體工程設(shè)計(jì)中蓋板采用何種布設(shè)方式，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)慣例及現(xiàn)場(chǎng)條件綜合確定。

2.1.2 板寬

對(duì)于跨中矩形蓋板，當(dāng)跨徑較小時(shí)（不大于6 m），寬度一般為1 m，蓋板設(shè)計(jì)可以直接套用現(xiàn)有的蓋板涵通用圖。當(dāng)需加寬時(shí)，板寬可按0.5 m的倍數(shù)增加，蓋板施工時(shí)一般采用預(yù)制吊裝；當(dāng)工點(diǎn)蓋板跨度較大時(shí)（6～20 m），板上列車活載增大，為增強(qiáng)蓋板的整體性，改善蓋板受力，應(yīng)適當(dāng)加大蓋板橫橋向?qū)挾龋┕r(shí)可以采用原位支架澆筑，亦可預(yù)制吊裝，當(dāng)采用預(yù)制吊裝時(shí)，蓋板寬度應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)起吊及運(yùn)輸能力。

當(dāng)兩端洞口采用梯形蓋板時(shí)，梯形板寬以短支撐邊長度控制，短支撐邊長度一般應(yīng)根據(jù)涵長在矩形板排列后的余數(shù)控制在50～90 cm之間，長支撐邊則根據(jù)板的跨度及斜度計(jì)算得出。當(dāng)涵洞跨徑較大，且交角亦較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大短支撐邊長度，以不使短邊鋼筋布置過密。

2.1.3 板高

對(duì)于其上承受鐵路荷載的蓋板，板端高度一般可取計(jì)算跨徑的0.1～0.15倍，板頂坡度取2%～4%，同時(shí)為避免因施工不完善而產(chǎn)生的弱點(diǎn)影響板的強(qiáng)度，最小板厚不得小于15 cm。具體工點(diǎn)的板厚可以根據(jù)板上的填土厚、列車活載、跨徑等計(jì)算確定。

2.2 條形承臺(tái)梁構(gòu)造設(shè)計(jì)[1-2]

承臺(tái)梁的作用就是將樁群連接成一個(gè)整體，將上部蓋板傳來的各種荷載外力，較均勻的分配給樁群。同時(shí)，承臺(tái)梁還起著擋土的作用。

2.2.1 承臺(tái)梁外形

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的類型及布樁要求，承臺(tái)梁一般采用單排樁條形布置，特殊情況下，比如跨徑較大、連續(xù)多孔時(shí)，可以考慮采用雙排樁或多排樁布置。

2.2.2 尺寸要求

承臺(tái)梁厚度一般不宜小于1.5 m，承臺(tái)梁邊緣至樁邊的凈距，宜按文獻(xiàn)[1]6.3.2條執(zhí)行，當(dāng)管道對(duì)兩側(cè)承臺(tái)之間的凈寬有要求，在不增加蓋板跨度的情況下，可根據(jù)樁與承臺(tái)板的連接構(gòu)造及樁的受力大小適當(dāng)減小承臺(tái)邊緣至樁邊的凈距，但最小凈距不宜小于15 cm。

2.2.3 承臺(tái)梁斷面

承臺(tái)梁斷面一般設(shè)計(jì)成階梯狀，由背墻、墊石及承臺(tái)梁三部分組成，墊石中心與樁基中心一致，墊石順線路寬度一般取50 cm，厚度不小于20 cm。這種階梯狀承臺(tái)梁的設(shè)計(jì)（見圖3(a)）相比L形承臺(tái)梁設(shè)計(jì)（見圖3(b)、圖3(c)），可使蓋板傳下來的豎向壓力與樁基中心重合，消除偏心，降低樁基頂部的彎矩，同時(shí)也降低了蓋板端部加載時(shí)因支承面進(jìn)深過長而產(chǎn)生的負(fù)彎矩值。

2.3 樁基構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.3.1 樁基類型與樁徑

根據(jù)工點(diǎn)地質(zhì)情況及施工機(jī)械，基礎(chǔ)可采用鉆（挖）孔灌注樁、打入樁等樁型，樁徑一般不小于0.8 m。

圖3 承臺(tái)梁斷面布置圖

2.3.2 樁間距

宜按照文獻(xiàn)[1]6.3.2條執(zhí)行。樁間距過小，會(huì)導(dǎo)致相同涵長內(nèi)的樁數(shù)增多，增加工程費(fèi)用，且單樁承載力利用率降低；樁間距過大，又會(huì)造成樁頂上的蓋梁跨徑過大，單樁承載力過大，沉降難以控制；因此，樁間距需要綜合平衡考慮。

2.3.3 基樁與承臺(tái)梁的聯(lián)結(jié)

樁基與承臺(tái)梁的聯(lián)結(jié)一般有將樁頂直接埋入承臺(tái)梁中和將樁頂主筋伸入承臺(tái)梁內(nèi)兩種方式，后者較為常用。具體構(gòu)造要求詳見文獻(xiàn)[1]6.3.6條。

2.3.4 樁的配筋

摩擦樁可按樁身內(nèi)力要求分段配筋，柱樁主筋應(yīng)通長設(shè)置到樁底；樁基截面配筋率不應(yīng)小于0.5%；主筋直徑、最小凈距需滿足規(guī)范要求。

2.4 附屬設(shè)施構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.4.1 擋土設(shè)施

為防止路基填料漏入樁蓋板橋涵內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)可采用在樁基外側(cè)設(shè)置混凝土擋板、樁基內(nèi)側(cè)設(shè)置擋板+錨桿、橋涵內(nèi)設(shè)U形擋槽等方式；

2.4.2 出入口

根據(jù)管道的埋深及日常維修需求情況，涵洞出入口可采取設(shè)置檢查井+涵內(nèi)設(shè)U形混凝土擋槽、洞口設(shè)堵頭墻+涵內(nèi)埋沙回填等措施。

2.4.3 防水措施

為防止地表雨水或地下水從蓋板縫、蓋板端與承臺(tái)之間縫隙以及承臺(tái)間伸縮縫滲入侵蝕破壞蓋板及承臺(tái)墊塊，各縫間需填塞防水材料，蓋板上、背墻頂及外側(cè)面都需進(jìn)行防水處理。

3 樁蓋板結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 蓋板計(jì)算分析

蓋板可按兩端簡支的單向板進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于跨度較小的板，可取荷載作用范圍內(nèi)的單位板寬，按簡支梁計(jì)算。對(duì)于跨度較大，寬跨比較大、整體性強(qiáng)的蓋板以及斜度大于15°的斜蓋板，可采用有限元法、格子梁理論等進(jìn)行精確分析計(jì)算。

3.1.1 板的計(jì)算跨徑

采取支撐面中心間的距離或者板的凈跨加上跨中板厚這兩個(gè)數(shù)值中較小的值計(jì)算彎矩效應(yīng)，采取凈跨徑為計(jì)算跨徑計(jì)算剪力效應(yīng)。

3.1.2 板上荷載

恒載包括蓋板自重、軌道結(jié)構(gòu)及填土豎向壓力；活載包括列車豎向靜活載、列車豎向動(dòng)力作用、離心力、橫向搖擺力；附加力包括制動(dòng)力、風(fēng)力、溫度力等，特殊荷載有臨時(shí)施工荷載等。

3.1.3 板的控制指標(biāo)

豎向靜活載作用下的豎向撓度值、水平撓度、豎向自振頻率、梁端轉(zhuǎn)角等，具體指標(biāo)應(yīng)滿足相應(yīng)等級(jí)鐵路橋涵規(guī)范的要求。

3.1.4 結(jié)構(gòu)配筋

根據(jù)計(jì)算得到的跨中彎矩、板端負(fù)彎矩、支點(diǎn)剪力等數(shù)據(jù)對(duì)板進(jìn)行截面尺寸及配筋設(shè)計(jì)。

3.2 條形承臺(tái)梁計(jì)算分析

3.2.1 荷載分析

作用在承臺(tái)梁上的力有蓋板端部作用于承臺(tái)墊塊處的恒活載豎向壓力、橫向水平力、承臺(tái)背墻頂受到的恒活載壓力及承臺(tái)背墻側(cè)受到的土壓力以及樁基豎向反力。

3.2.2 承臺(tái)梁計(jì)算圖式

（1）雙懸臂簡支梁（連續(xù)梁）模型

當(dāng)承臺(tái)梁與柱的線剛度（EI/l）之比大于5時(shí)，為簡化計(jì)算可以忽略節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩的分配及傳遞，雙樁承臺(tái)梁可按簡支梁計(jì)算，多樁承臺(tái)梁可按連續(xù)梁計(jì)算。

（2）雙懸臂剛構(gòu)模型

由于樁基的鋼筋深入到承臺(tái)梁內(nèi)，與承臺(tái)梁的鋼筋綁扎成整體，承臺(tái)梁與樁基呈剛架結(jié)構(gòu)，可按剛構(gòu)計(jì)算，基礎(chǔ)在樁基第一彈性零點(diǎn)切斷并固接。

（3）整體計(jì)算圖式

連續(xù)梁模型忽略了樁基對(duì)承臺(tái)梁的嵌固約束作用，剛構(gòu)模型未考慮樁基在樁側(cè)土體彈性約束下的轉(zhuǎn)角及變形。因此，當(dāng)承臺(tái)梁受到三向荷載作用時(shí)，可以考慮采用整體計(jì)算圖式，建立承臺(tái)梁-樁基-土體的三維有限元模型來對(duì)承臺(tái)梁進(jìn)行分析。

3.2.3 受力分析

當(dāng)跨高比l/h＞5.0時(shí)，可按鋼筋混凝土一般構(gòu)件計(jì)算，當(dāng)l/h≤5.0時(shí)，按深受彎構(gòu)件計(jì)算。承臺(tái)梁受力分析時(shí)一般選取跨中及樁基兩側(cè)處承臺(tái)截面進(jìn)行檢算。鐵路橋涵規(guī)范容許應(yīng)力法檢算內(nèi)容包括控制截面混凝土最大壓應(yīng)力、鋼筋最大拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及裂縫檢算。

3.3樁基計(jì)算分析

樁基計(jì)算時(shí)一般先把上部結(jié)構(gòu)荷載換算為群樁頂中心處集中力：豎向力N、水平力H、彎矩M，然后將其分配給單樁，再對(duì)單樁進(jìn)行軸向及橫向受力分析。樁承受的軸向力主要決定樁的入土深度（對(duì)摩擦樁）和樁身受壓強(qiáng)度；承受的橫向力及彎矩則用來確定樁身的彎壓強(qiáng)度及配筋。

3.3.1 單樁樁頂內(nèi)力計(jì)算[3]

（1）簡化公式法

假定蓋梁為剛性，樁頂單樁豎向設(shè)計(jì)值Nid、水平力Hid和彎矩Mid按樁平均分配，按下列公式計(jì)算：

公式中參數(shù)意義詳見文獻(xiàn)[3]8.5.1條。本公式為單樁豎向力設(shè)置值計(jì)算簡化公式，未考慮承臺(tái)及樁周土的彈性支承作用。

（2）地基系數(shù)法[4]

樁基單、多排樁與承臺(tái)在驗(yàn)算截面內(nèi)構(gòu)成一個(gè)超靜定框架結(jié)構(gòu)，可以通過位移法求解各樁的外作用力分配，計(jì)算步驟如下：先求出各樁的單樁剛度系數(shù)ρ，進(jìn)而求得群樁基礎(chǔ)的整體剛度系數(shù)γ，然后利用位移法建立平衡方程，求出承臺(tái)板的豎向位移的位移a、水平位移b和繞中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)角β，進(jìn)而求得各樁樁頂?shù)妮S向力、剪力及彎矩。例如，當(dāng)樁基礎(chǔ)中全部為豎直樁且對(duì)稱時(shí)，樁頂內(nèi)力可按下式計(jì)算：

上式中各參數(shù)含義詳見文獻(xiàn)[4]式6-47，在此不再詳列。

3.3.2 單樁樁身橫向內(nèi)力計(jì)算

樁的橫向受力分析的內(nèi)容為考慮樁側(cè)土的橫向抗力，計(jì)算樁基在樁頂橫向外力（彎矩與剪力）作用下的樁身位移與內(nèi)力。樁的分析理論有多種，目前我國各類橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范均推薦采用“m”法計(jì)算樁基內(nèi)力?！癿”法計(jì)算樁身內(nèi)力的步驟如下：根據(jù)已求得的樁頂內(nèi)力Mo、Qo，采用力法推求得樁頂?shù)乃轿灰苮0及轉(zhuǎn)角φ0，再根據(jù)彈性力學(xué)中的撓曲線變形方程，計(jì)算得出樁身任意深度y處的位移 xy、轉(zhuǎn)角 φy、彎矩 My、剪力 Qy。

3.3.3 樁長、配筋面積計(jì)算

求出樁頂軸向力后，就可以利用文獻(xiàn)[1]6.2.2的軸向承載力公式確定樁長（摩擦樁）及樁身受壓強(qiáng)度（柱樁）。根據(jù)計(jì)算得到的樁身最大彎矩及軸力值，按圓形偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

4 樁蓋板結(jié)構(gòu)有限元仿真分析[5-7]

4.1 蓋板的有限元分析

當(dāng)板寬度較小，可取單位板寬對(duì)其分析，此時(shí)可按簡支梁單元模擬分析。對(duì)于寬板及斜板，可按簡支板單元模擬分析。

4.2 承臺(tái)梁與樁基的有限元模擬

采用有限元建?？梢暂^準(zhǔn)確的考慮承臺(tái)梁剛度對(duì)樁頂外力的分配影響，還可以模擬樁基與周圍土體的協(xié)調(diào)變形分析。承臺(tái)梁可以采用梁單元或?qū)嶓w單元模擬，樁基采用梁單元模擬，樁周土和樁底土對(duì)樁基的約束作用可采用彈簧單元模擬，將各土層對(duì)樁體的約束轉(zhuǎn)化為樁體受到的彈簧邊界元，土對(duì)樁的橫向水平力利用系列水平彈簧模擬，樁底支承反力及樁周摩阻力利用豎向彈簧單元模擬。各彈簧系數(shù)K所采用的計(jì)算公式如下：

（1）樁身各單元水平彈簧彈性系數(shù)：

式中：mn為各層土的地基系數(shù)的比例系數(shù)；zn為各段埋深，取該土彈簧位置到地面線（或局部沖刷線）的距離；b0為基樁的計(jì)算寬度；hn為zn深度處土層的厚度，可取土彈簧相鄰樁身兩單元長度之和的1/2。

（2）若樁基為柱樁，樁底節(jié)點(diǎn)可按固接處理；若為鉆（挖）孔灌注樁，則根據(jù)文獻(xiàn)[1]樁基容許承載力公式可得樁身各段及樁底的豎向彈簧彈性系數(shù)：

a.樁身各段單元豎向彈簧彈性系數(shù)

b.樁底豎向彈簧彈性系數(shù)

式（2）、式（3）中：△為樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值是樁身產(chǎn)生的豎向位移，一般取6 mm；其余參數(shù)詳見文獻(xiàn)[1]6.2.2-2規(guī)定。

5 工程實(shí)例

某新建單線Ⅰ級(jí)鐵路，路基施工過程中發(fā)現(xiàn)的地下埋有2條不可遷改的自來水管及燃?xì)夤埽ㄒ妶D4）。鐵路設(shè)計(jì)活載為中活載；橋址處地層為粉土、粉質(zhì)粘土及中砂；蓋板上方填土高1.2 m。

為跨過上述2條管線，設(shè)計(jì)采用1～9.5 m樁蓋板小橋跨越。蓋板分3塊布置，正交正做，蓋板總長10 m，計(jì)算跨度9.5 m，最大板寬5.54 m，跨中板厚0.9 m，端部板厚0.8 m；承臺(tái)梁截面設(shè)計(jì)為階梯狀，承臺(tái)橫長16 m，縱寬2 m，厚度為1.6 m；每側(cè)承臺(tái)下方設(shè)置6根Φ1 m摩擦樁，樁間距2.8 m，樁長28 m，樁身配筋長度15 m。

圖4 1～9.5m樁蓋板小橋布置圖（單位：c m）

利用有限元程序分別建立兩端簡支寬蓋板模型、考慮樁土作用的承臺(tái)與樁基整體模型，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。部分計(jì)算結(jié)果見圖5～圖10。

圖5 蓋板縱向彎矩圖（單位：N·m）

圖6 蓋板橫向彎矩（單位：N·m）

圖9 樁基軸力圖（單位：N）

圖10 樁基縱向彎矩圖（單位：N·m）

6 結(jié)語

（1）承臺(tái)梁橫向長度較大時(shí)，受力行為類似彈性地基梁，若采用簡化的連續(xù)梁或剛構(gòu)模型分析，與考慮樁土作的整體計(jì)算模型相比，計(jì)算結(jié)果相差較多。

（2）承臺(tái)梁-樁基-土體的整體計(jì)算模型可以較好的考慮樁基對(duì)蓋梁的約束作用，同時(shí)也考慮了周圍土體對(duì)樁基的彈性約束作用，計(jì)算精度較高。

（3）本文對(duì)樁蓋板橋涵的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及計(jì)算方法進(jìn)行了討論，希望對(duì)今后類似工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有所裨益。

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