抗拔桩在铁路简支梁静载弯曲试验中的应用

徐秀山

1 静载试验概述

根据《预应力混凝土铁路桥简支梁产品生产许可证实施细则》的规定，铁路桥简支梁应进行静载弯曲试验，以验证梁体刚度、抗裂性及预应力度，试验方法按照TB/T 2092-2003预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲试验方法及评定标准(以下简称试验标准)执行。在试验标准中，计算跨度L≥8 m梁等效集中荷载采用5点加载，跨中设一集中荷载，其余在其左右对称布置，各荷载纵向间距均为4 m。哈大铁路客运专线32.6 m箱梁计算跨径 L=31.5 m，静载试验加载点在梁顶双排布置，位于梁顶腹板中心线处，共计10点。通常由于单点集中荷载很大(100 t～150 t)，常用的加载方法很难实现，为此合理的加载方法成为静载弯曲试验成功与否的关键。

2 加载装置

由于荷载很大，加载装置一般采用钢桁架或钢梁作为反力架，大吨位千斤顶顶紧桁架，反力作用于梁体，作为加载的集中荷载。石太客运专线及甬台温客运专线的静载试验采用钢桁梁反力架，桁架两端分别固定于梁体两端。由于集中荷载总计高达11 000 kN，跨度长达32 m，钢桁架结构长4 690 mm，宽9 580 mm，体积非常庞大，反力架重量约200 t，造价 200万元(见图1)。

为了降低试验投入，本文以抗拔桩在哈大铁路客运专线静载弯曲试验中的应用为例，介绍了抗拔桩在静载试验中的运用。

3 抗拔桩加载装置设计

加载装置总装配图见图2。

抗拔桩基直径为100 cm，桩长为900 cm，采用挖孔灌注桩工艺施工，桩内灌注C30混凝土。桩基内设置12Φ 16 mm通长主筋，主筋沿桩身周边均匀布置，保护层为70 mm;箍筋为φ 8@200 mm，并采用螺旋式缠绕，在桩顶100 cm范围内箍筋间距加密至100 mm;钢筋笼内每隔1.5 m设置一道Φ 16 mm焊接加强箍筋。

桩基内预埋通长 2Φ 32 mm精轧螺纹钢筋，并露出桩顶50 cm。为了防止应力集中使钢筋周边的混凝土破坏，钢筋在桩顶1 m以下范围内套上φ 40 cm PVC管，使钢筋与混凝土分离，同时在其外通长设置φ 8 mm螺旋钢筋，间距10 cm。

梁顶每个加载断面设置2个200 t千斤顶，其上设置3根Ⅰ20b工字钢作为加载下分配梁。横梁采用双层六排叠置的Ⅰ28b工字钢，共12根，两端每个加载点上设置2Ⅰ20b工字钢作为加载上分配梁。加载钢垫采用2根Ⅰ16工字钢，精轧螺纹钢筋上端利用螺栓锚固在钢垫上，下端利用连接器与桩基内预埋的精轧螺纹钢筋连接。

4 计算单侧加载集中力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——梁体质量对跨中弯矩。详见通桥(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Mz=30 618.86 kN◦m。

3)Md——二期恒载质量对跨中弯矩。详见通桥(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Md=19 845 kN◦m(含防水层 、保护层 Mf)。

4)Mh——活载对跨中弯矩。详见通桥(2008年)2332A-Ⅱ-HD-001，Mh=24 164.75 kN◦m。

5)ΔMs——未完成的预应力损失的补偿弯矩。详见通桥(2008 年)2332A-Ⅱ-HD-001，σL6=89.83 MPa，σL5=14.69 M Pa;按时间 40 d考虑，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——加载设备质量对跨中弯矩。在“3抗拔桩加载装置设计”中每个集中荷载横断面处安装的加载装置重量为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加载级下跨中弯矩。M1.2=1.2×(Mz+Md+Mh+Mf)+ΔMs-Mz-Ms=61 474.2 kN◦m。

8)加载值P1.2。P1.2=M1.2/α=2 245.6 kN。

9)单侧加载值 P。P=P1.2/2=1 122.8 kN，为此每个加载点设置1台200 t千斤顶。

5 桩基抗拔能力验算

根据地质钻探资料，桩基深度范围内的地质为弱风化石灰岩。根据JGJ 94-2008建筑桩基技术规程5.4.6条，基桩抗拔极限承载力标准值可按下式计算:Tuk= ∑λiqsikuili。其中，Tuk为基桩抗拔极限承载力标准值;λi为抗拔系数，取0.8;qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值，取130 kPa;ui为桩身周长，对于等直径桩取 u=πd;li为桩周第i层土的厚度。Tuk=0.8×130×π×1×9=2 939 kN＞P=1 122.8 kN，桩基抗拔验算满足要求。

6 精轧螺纹钢筋受拉验算

单根Φ 32 mm钢筋拉力:803.84×930=747 571 N=747.571 kN。

2根Φ 32 mm钢筋拉力:747.571×2=1 495.1 kN＞P=1 122.8 kN，钢筋抗拉验算满足要求。

7 精轧螺纹钢筋抗拔验算

由GB 50010-2002混凝土结构设计规范9.3.1条，受拉钢筋的锚固长度应按下式计算:la=α fyd/ft。其中，la为受拉钢筋的锚固长度;fy为钢筋的抗拉强度设计值，取930 MPa;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，C30混凝土取1.43 MPa;d为钢筋的公称直径，取32 mm;α为钢筋的外形系数，带肋钢筋取0.14。la=0.14×930×32/1.43=2 913 mm＜9 000 mm，精轧螺纹钢筋抗拔验算满足要求。

8 横梁受力验算

1)横梁抗弯验算。

横梁采用12根Ⅰ28b工字钢双层六排叠置，承受弯矩作用，应对抗弯能力进行验算。

单根Ⅰ28b工字钢参数为:惯性矩 Iy=3 638 000 mm4，截面面积 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，抗弯能力满足要求。

2)横梁抗剪验算。

横梁承受剪力 Q=P=1 122.8 kN，τ=Q/A=1 122.8×103/(12×6 097×10-6)=15.3 MPa＜[τ]=125 MPa，抗剪能力满足要求。

9 桩基抗拔试验

桩基施工完成后，抗拔力必须经过试验验证。经过试验单根桩基的抗拔力大于2 000 kN，满足要求。

10 结语

目前高速铁路及客运专线铁路建设已进入高速发展期，箱梁静载弯曲试验中常用的钢桁架结构反力架，因为体积庞大，造价高昂，转场困难等缺点，已越来越不能满足工程需要。本文通过抗拔桩在哈大铁路客运专线土城子梁场静载弯曲试验中的成功应用，验证了抗拔桩方案的可行性。另外由于抗拔桩能适应不同地质条件要求，且加载机构设计简单、材料易得、组装简便，经济效益十分明显，具有较高推广应用价值。

[1] TB/T 2092-2003，预应力混凝土铁路简支梁静载弯曲试验方法及评定标准[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[3] GB 50010-2002，混凝土结构设计规范[S].