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        軟土地區(qū)鐵路橋大直徑群樁基礎的大型厚承臺設計實踐

        2015-02-26 11:44:02
        交通科技 2015年3期
        關鍵詞:有限元

        陳 亮

        (中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

        軟土地區(qū)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(qū)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(shù)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(jié)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(qū)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(huán)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?qū)撞贾?,橋型布置見圖1?;炷林髁荷烊胫锌?4.5 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(qū)的淤泥質(zhì)土及流~軟塑黏土為主要的不良工程地質(zhì)層,含水率高,物理力學性質(zhì)差,分布厚度較大,北塔、南塔的軟弱層分別厚約25,45 m?;鶐r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(nèi)部的應力如何分布,采用有限元數(shù)值分析、“梁式(深梁)體系”“撐桿-系桿體系”3種方法相結(jié)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(shù)值分析

        (1) 計算參數(shù)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(shù)50 962個。

        空間梁單元與空間實體單元共用節(jié)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(qū)、MPC184剛性梁等方法實現(xiàn)。人工編寫約束方程較為繁瑣,MPC184剛性梁連接易產(chǎn)生應力集中。本橋采用CERIG自動建立約束方程的方法,實現(xiàn)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(nèi)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果,可見:① 由于長樁底部土層強度較低,且長樁本身發(fā)生彈性變形的壓縮量顯著,在強大荷載作用下,承臺會發(fā)生豎向位移,而長樁一側(cè)承臺豎向位移大,短樁一側(cè)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(zhuǎn)角位移表示);② 承臺豎向位移、順橋向和橫橋向轉(zhuǎn)角位移均不顯著;③ 承臺的整體豎向位移、整體轉(zhuǎn)角位移以及承臺轉(zhuǎn)角位移引起的塔頂水平偏移,對全橋結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)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(jié)果,可見:①承臺頂面主要表現(xiàn)為受壓,最大主壓應力為5.76 MPa,承臺底面主要表現(xiàn)為受拉,最大主拉應力為4.86 MPa;②承臺最大剪切應力發(fā)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(guī)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(jù)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(nèi);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(nèi)。

        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(jié)構(gòu)受力要求。

        4結(jié)語

        針對甬江鐵路橋索塔群樁基礎,采用有限元數(shù)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(huán)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(jié)構(gòu)設計規(guī)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(guī)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

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