鐵路樁蓋板橋涵構造設計與計算分析探討

2015-01-09 01:07:20盧緒慶

城市道橋與防洪 2015年4期

盧緒慶

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津市 300142）

1 概述

樁蓋板橋涵，顧名思義，指的是樁基+蓋板的跨越結構，跨徑大時為橋，跨徑小時為涵，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、天燃氣管線等）、地下結構物（暗涵、地鐵、建筑物基礎等）及小河流等，有時也應用于既有橋涵接長結構，見圖1。相比于橋梁跨越以上結構，樁蓋板結構具有對線路填高要求低、結構簡單經濟的優(yōu)點；相比于常用的框架涵、蓋板涵，樁蓋板結構具有不遷改管線、基礎承載力高、施工方便的優(yōu)點。因此，樁蓋板橋涵結構在鐵路、公路建設中得到了廣泛應用。本文系根據(jù)工作中已設計的幾座樁蓋板橋涵結構，對樁蓋板結構的設計思路進行總結與討論。

圖1 典型樁蓋板橋涵斷面

2 樁蓋板結構構造設計

樁蓋板主要有蓋板、條形承臺梁、樁基及附屬結構四部分組成。

2.1 蓋板構造設計

2.1.1 板的布設

當樁蓋板涵軸線與線路中線正交時，蓋板一般采用如圖2(a)所示的正交正做布設方式，當軸線與中線斜交時按進出口形式有兩種布設方式，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方式，第一種為按平行于中線方向布設斜交板（見圖2(c)），第二種為涵身布設正交板，兩端進出口布設梯形板（見圖2(d)）。

圖2 蓋板布設方式

斜交正做的優(yōu)點在于現(xiàn)場施工方便，出入口便于施做檢查井，缺點在于浪費了一些涵長及材料，外形也不美觀，適用于接長斜交正做的既有橋涵、涵洞兩側設置檢查井及預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洞口有空間、外觀要求的橋涵。斜交斜做兩種布設方式中，在采用相同板長和相同斜度的條件下，第二種布設方式可增大涵洞的凈寬，同時，該布設方式適應性強，便于現(xiàn)場預制施工，因此是目前鐵、公路斜交涵通用圖所通常采用的布設形式。具體工程設計中蓋板采用何種布設方式，應根據(jù)設計慣例及現(xiàn)場條件綜合確定。

2.1.2 板寬

對于跨中矩形蓋板，當跨徑較小時（不大于6 m），寬度一般為1 m，蓋板設計可以直接套用現(xiàn)有的蓋板涵通用圖。當需加寬時，板寬可按0.5 m的倍數(shù)增加，蓋板施工時一般采用預制吊裝；當工點蓋板跨度較大時（6～20 m），板上列車活載增大，為增強蓋板的整體性，改善蓋板受力，應適當加大蓋板橫橋向寬度，施工時可以采用原位支架澆筑，亦可預制吊裝，當采用預制吊裝時，蓋板寬度應考慮現(xiàn)場起吊及運輸能力。

當兩端洞口采用梯形蓋板時，梯形板寬以短支撐邊長度控制，短支撐邊長度一般應根據(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)板的跨度及斜度計算得出。當涵洞跨徑較大，且交角亦較大時，應適當加大短支撐邊長度，以不使短邊鋼筋布置過密。

2.1.3 板高

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

2.2 條形承臺梁構造設計[1-2]

承臺梁的作用就是將樁群連接成一個整體，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，承臺梁還起著擋土的作用。

2.2.1 承臺梁外形

根據(jù)上部結構的類型及布樁要求，承臺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，可以考慮采用雙排樁或多排樁布置。

2.2.2 尺寸要求

承臺梁厚度一般不宜小于1.5 m，承臺梁邊緣至樁邊的凈距，宜按文獻[1]6.3.2條執(zhí)行，當管道對兩側承臺之間的凈寬有要求，在不增加蓋板跨度的情況下，可根據(jù)樁與承臺板的連接構造及樁的受力大小適當減小承臺邊緣至樁邊的凈距，但最小凈距不宜小于15 cm。

2.2.3 承臺梁斷面

承臺梁斷面一般設計成階梯狀，由背墻、墊石及承臺梁三部分組成，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。這種階梯狀承臺梁的設計（見圖3(a)）相比L形承臺梁設計（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，同時也降低了蓋板端部加載時因支承面進深過長而產生的負彎矩值。

2.3 樁基構造設計

2.3.1 樁基類型與樁徑

根據(jù)工點地質情況及施工機械，基礎可采用鉆（挖）孔灌注樁、打入樁等樁型，樁徑一般不小于0.8 m。

圖3 承臺梁斷面布置圖

2.3.2 樁間距

宜按照文獻[1]6.3.2條執(zhí)行。樁間距過小，會導致相同涵長內的樁數(shù)增多，增加工程費用，且單樁承載力利用率降低；樁間距過大，又會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 基樁與承臺梁的聯(lián)結

樁基與承臺梁的聯(lián)結一般有將樁頂直接埋入承臺梁中和將樁頂主筋伸入承臺梁內兩種方式，后者較為常用。具體構造要求詳見文獻[1]6.3.6條。

2.3.4 樁的配筋

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

2.4 附屬設施構造設計

2.4.1 擋土設施

為防止路基填料漏入樁蓋板橋涵內，設計時可采用在樁基外側設置混凝土擋板、樁基內側設置擋板+錨桿、橋涵內設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置檢查井+涵內設U形混凝土擋槽、洞口設堵頭墻+涵內埋沙回填等措施。

2.4.3 防水措施

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

3 樁蓋板結構計算分析

3.1 蓋板計算分析

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

3.1.1 板的計算跨徑

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數(shù)值中較小的值計算彎矩效應，采取凈跨徑為計算跨徑計算剪力效應。

3.1.2 板上荷載

恒載包括蓋板自重、軌道結構及填土豎向壓力；活載包括列車豎向靜活載、列車豎向動力作用、離心力、橫向搖擺力；附加力包括制動力、風力、溫度力等，特殊荷載有臨時施工荷載等。

3.1.3 板的控制指標

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

3.1.4 結構配筋

根據(jù)計算得到的跨中彎矩、板端負彎矩、支點剪力等數(shù)據(jù)對板進行截面尺寸及配筋設計。

3.2 條形承臺梁計算分析

3.2.1 荷載分析

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

3.2.2 承臺梁計算圖式

（1）雙懸臂簡支梁（連續(xù)梁）模型

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

（2）雙懸臂剛構模型

由于樁基的鋼筋深入到承臺梁內，與承臺梁的鋼筋綁扎成整體，承臺梁與樁基呈剛架結構，可按剛構計算，基礎在樁基第一彈性零點切斷并固接。

（3）整體計算圖式

連續(xù)梁模型忽略了樁基對承臺梁的嵌固約束作用，剛構模型未考慮樁基在樁側土體彈性約束下的轉角及變形。因此，當承臺梁受到三向荷載作用時，可以考慮采用整體計算圖式，建立承臺梁-樁基-土體的三維有限元模型來對承臺梁進行分析。

3.2.3 受力分析

當跨高比l/h＞5.0時，可按鋼筋混凝土一般構件計算，當l/h≤5.0時，按深受彎構件計算。承臺梁受力分析時一般選取跨中及樁基兩側處承臺截面進行檢算。鐵路橋涵規(guī)范容許應力法檢算內容包括控制截面混凝土最大壓應力、鋼筋最大拉應力、剪應力及裂縫檢算。

3.3樁基計算分析

樁基計算時一般先把上部結構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，再對單樁進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（對摩擦樁）和樁身受壓強度；承受的橫向力及彎矩則用來確定樁身的彎壓強度及配筋。

3.3.1 單樁樁頂內力計算[3]

（1）簡化公式法

假定蓋梁為剛性，樁頂單樁豎向設計值Nid、水平力Hid和彎矩Mid按樁平均分配，按下列公式計算：

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

（2）地基系數(shù)法[4]

樁基單、多排樁與承臺在驗算截面內構成一個超靜定框架結構，可以通過位移法求解各樁的外作用力分配，計算步驟如下：先求出各樁的單樁剛度系數(shù)ρ，進而求得群樁基礎的整體剛度系數(shù)γ，然后利用位移法建立平衡方程，求出承臺板的豎向位移的位移a、水平位移b和繞中心點的轉角β，進而求得各樁樁頂?shù)妮S向力、剪力及彎矩。例如，當樁基礎中全部為豎直樁且對稱時，樁頂內力可按下式計算：

上式中各參數(shù)含義詳見文獻[4]式6-47，在此不再詳列。

3.3.2 單樁樁身橫向內力計算

樁的橫向受力分析的內容為考慮樁側土的橫向抗力，計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力。樁的分析理論有多種，目前我國各類橋涵設計規(guī)范均推薦采用“m”法計算樁基內力。“m”法計算樁身內力的步驟如下：根據(jù)已求得的樁頂內力Mo、Qo，采用力法推求得樁頂?shù)乃轿灰苮0及轉角φ0，再根據(jù)彈性力學中的撓曲線變形方程，計算得出樁身任意深度y處的位移 xy、轉角 φy、彎矩 My、剪力 Qy。

3.3.3 樁長、配筋面積計算

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

4 樁蓋板結構有限元仿真分析[5-7]

4.1 蓋板的有限元分析

當板寬度較小，可取單位板寬對其分析，此時可按簡支梁單元模擬分析。對于寬板及斜板，可按簡支板單元模擬分析。

4.2 承臺梁與樁基的有限元模擬

采用有限元建模可以較準確的考慮承臺梁剛度對樁頂外力的分配影響，還可以模擬樁基與周圍土體的協(xié)調變形分析。承臺梁可以采用梁單元或實體單元模擬，樁基采用梁單元模擬，樁周土和樁底土對樁基的約束作用可采用彈簧單元模擬，將各土層對樁體的約束轉化為樁體受到的彈簧邊界元，土對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)點可按固接處理；若為鉆（挖）孔灌注樁，則根據(jù)文獻[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：△為樁側摩阻力達到極限值是樁身產生的豎向位移，一般取6 mm；其余參數(shù)詳見文獻[1]6.2.2-2規(guī)定。

5 工程實例

某新建單線Ⅰ級鐵路，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氣管（見圖4）。鐵路設計活載為中活載；橋址處地層為粉土、粉質粘土及中砂；蓋板上方填土高1.2 m。

為跨過上述2條管線，設計采用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；承臺梁截面設計為階梯狀，承臺橫長16 m，縱寬2 m，厚度為1.6 m；每側承臺下方設置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。