墩台开裂桥梁基桩承载力验算

刘 得 邦

(兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)



墩台开裂桥梁基桩承载力验算

刘 得 邦

(兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)

以某铁路大桥墩台开裂工程为例，从堆碴内力、堆碴作用下及纵向地震作用下的基桩内力三方面，验算了墩台开裂桥梁基桩的承载力，结果表明基桩的应力均未超出规范允许值，并通过现场开挖验证了计算结果的准确性，说明了基桩无明显病害特征。

桥墩，基桩，堆碴，应力

1 工程概况

某铁路大桥为1-24 m+3-32 m预应力混凝土简支T梁桥，设计列车时速为120 km/h，下部结构为桩基础墩台，墩身混凝土强度等级为C35，承台强度等级为C30。

开挖后发现，在3号墩底靠线路大里程侧出现一道横向裂缝；承台小里程侧出现两道斜向裂缝及一道竖向裂缝。对3号桥墩周围环境进行检查后，初步认为裂缝是由于隧道施工弃碴挤压桥墩造成。

2 检算内容

根据桥墩目前的病害状况推算造成桥墩破坏的土压力大小，根据推算土压力值检算基桩是否出现病害，检算主要包含以下内容：

1)根据墩底病害推算弃碴土压力；

2)根据推算的土压力计算基桩承载力；

3)计算纵向地震作用下的基桩内力，并与推算土压力值下的基桩内力进行比较。

3 检算结果

3.1 堆碴内力分析

桥墩混凝土开裂后，开裂部分退出工作，以剩余的混凝土面积作为有效截面推导土压力作用下产生的内力值。桥墩开裂后的截面特性如下：

混凝土有效截面惯性矩：Ix=4.454 25 m4；混凝土受拉侧至开裂后剩余工作面重心轴的距离：y=1.139 m；开裂区域受拉侧钢筋面积：As=5.677×10-3m2。

以桥墩混凝土有效截面和受拉侧钢筋的承载力作为抗力目标值，来推导堆碴压力作用下墩底内力。

以受拉侧混凝土主拉应力为控制因素，依据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，C35混凝土的主拉应力为σtp=0.83 MPa，混凝土抵抗弯矩M1=3 245.9 kN·m；假设受拉侧HRB335钢筋达到极限强度fs=335 MPa，受拉侧钢筋至受压侧钢筋的距离取L=2.88 m，混凝土抵抗弯矩M2=5 477.2 kN·m。顺桥向堆碴压力产生的弯矩取M=M1+M2=3 245.9+5 477.2=8 723.1 kN·m。

3.2 堆碴作用下的基桩内力计算

堆碴压力作用下桥墩产生裂缝时，预应力混凝土梁尚未架设，推算基桩内力时，只计入桥墩、承台及基桩自重。基桩编号见图1，图1中绕x轴旋转的弯矩为横桥向弯矩，绕y轴旋转的弯矩为顺桥向弯矩。

土压力作用产生的基桩的内力值见表1。

表1 基桩内力计算结果

根据表1计算的基桩内力值，对基桩混凝土应力和钢筋拉应力进行计算。在检算中，假定混凝土受拉区不参与工作，拉力全部由钢筋承担。基桩控制断面的混凝土压应力及纵向钢筋拉应力计算结果见表2。

表2 基桩混凝土压应力及钢筋拉应力计算结果 MPa

在《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中，C30钢筋混凝土结构中混凝土在中心受压状态下容许应力9.4 MPa，在弯曲受压及偏心受压状态下，容许应力为10.0 MPa，HRB335钢筋在主力作用下检定容许应力为180 MPa。由表2可知，堆碴压力作用下，基桩混凝土压应力及钢筋拉应力均未超限。

3.3 纵向地震作用下的基桩内力计算

1)计算模型建立。

根据设计资料，采用midas Civil有限元分析软件建立单墩模型。3号墩基桩从上至下穿越12.5 m的块石土层(细角砾土)、3 m的强风化灰岩、9.5 m的弱风化灰岩，基底为弱风化灰岩。建立模型时，桩侧约束用等效弹簧进行模拟，桩底固结。参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》，块石土地基系数m值的取值范围为80 000 kPa/m2～120 000 kPa/m2，计算时m值取100 000 kPa/m2。模型中，桩侧约束采用弹性支承模拟，单元长度取a=1 m，基础侧面土抗力计算宽度为b0=0.9(d+1)(其中，d为桩径)，节点弹性支承刚度k=mab0h，其中，h为距离地面的深度。抗震分析时，墩顶以上质量施加于墩顶中心。桥墩有限元模型见图2。

2)荷载计算。

a.恒载。参照设计资料，每孔梁自重为279.3 t，二期恒载为80.81 kN/m。墩顶以上的恒载作用下，3号墩的墩顶反力为：

N1=80.81×(32.6+0.18)+279.3×9.8=5 386.09 kN。

墩顶接触网基础混凝土为1.8 m×1.15 m×0.72 m，容重为25 kN/m3，重力为37.26 kN。

由于该桥位于曲线上，梁中心线相对于桥墩中线向上游侧偏离40 cm，经过现场检测，在弃碴压力作用下墩顶朝线路小里程方向和下游侧产生了近15 cm的位移。墩顶以上的恒载作用所引起的墩底横桥向弯矩M1横和顺桥向弯矩M1顺分别为：

M1横=5 386.09×(0.4-0.15)=1 346.52 kN·m。

M1顺=5 386.09×0.15=807.91 kN·m。

接触网基础混凝土的墩底横桥向弯矩M2横和顺桥向弯矩M2顺分别为：

M2顺=37.26×0.15=5.59 kN·m。

b.地震作用。该桥抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期Tg=0.4 s。采用midas Civil有限元分析软件建立单墩模型，依据《铁路工程抗震设计规范》进行多遇地震(0.07g)作用下的基桩强度验算。计算时，只考虑顺桥向多遇地震下的反应谱分析，荷载组合只考虑恒载与纵向多遇地震效应进行组合，并与土压力产生的基桩效应进行对比。

3)地震作用下的基桩内力计算结果。恒载+纵向多遇地震作用下，基桩控制截面的内力计算结果见表3。

表3 基桩内力计算结果

根据表3计算的基桩内力值，对基桩混凝土应力和钢筋应力进行计算。在强度检算中，假定混凝土受拉区不参与工作，拉力全部由钢筋承担。基桩控制断面的混凝土压应力及纵向钢筋拉应力计算结果见表4。

表4 基桩混凝土压应力及钢筋拉应力计算结果 MPa

在《铁路工程抗震设计规范》中，考虑地震作用时，混凝土容许压应力及钢筋容许拉应力提高系数取值均为1.5。混凝土在中心受压状态下容许应力为14.1 MPa，在弯曲受压及偏心受压状态下，容许应力为15.0 MPa，钢筋容许拉应力为270 MPa。由表4可知，在恒载和地震作用下，基桩混凝土压应力及钢筋拉应力均未超限。

4 现场挖验

恒载+地震作用下产生的墩底弯矩值为7 155.8 kN·m，堆碴土压力在墩底产生的弯矩为8 723.1 kN·m。推算的土压力弯矩值大于恒载+地震作用下产生的墩底弯矩值。推算的堆碴土压力效应虽大于恒载+地震组合作用下的效应，但通过对基桩的应力分析，结果均未超出规范允许值，基桩应无明显病害特征。现场对基桩进行了开挖检查，桩顶混凝土的状态完好，未发现开裂现象。

[1] TB 10002.3—2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[2] TB 10002.5—2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[3] GB 50111—2006,铁路工程抗震设计规范[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

刘得邦(1991- )，男，在读硕士

U443.15

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