客运专线桥梁承台板配筋设计的探讨

娄宇欣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁设计处,天津 300142)

1 概述

承台板是将桩基础与桥墩台连接为整体,并将桥梁上部荷载传递给桩基的重要构件,目前我国铁路桥梁桩基一般采用刚性承台板,其受力分析比较复杂,铁路规范对其配筋设计理论也没有明确的规定。如何做到承台板设计经济合理、便于施工,目前还是通过各种假定及简化后,按照一般静力计算及钢筋混凝土构件计算原则进行设计。

2 铁路桥梁承台板设计原则

根据以往铁路桥梁设计经验,通常在承台板底部高出承台板底面约15 cm处设置1层钢筋网,这种钢筋网在每米宽度内(按顺桥向和横桥向分别考虑)设置15～20 cm2的钢筋。当桩顶主筋深入承台板内联结时,此项钢筋网在通过桩位处不得截断。桩顶外缘位于自承台板顶面处自墩台身面外缘向下扩散的35°刚性角范围内时,可不检算承台板襟边的强度。实体桥墩配设单层承台板时,其刚性角通常都大于35°,一般通过加厚承台板的方法解决。作为比较,通过检算加强承台板底面钢筋更为经济,但放大后的刚性角不应超过45°。当桩顶直接埋入承台板与之联结,且桩顶作用于承台板的压应力超出承台板混凝土的容许局部压力时(计算此项压应力时,不考虑桩身与承台板混凝土之间的黏着力),应在每一根桩的顶面之上设置1～2层直径不小于12 mm的钢筋网,钢筋网每边长度不小于2.5倍桩径,网孔为10 cm×10 cm至15 cm×15 cm(图1)[1，2]。以上作为我国常规铁路桩基承台板的设计原则,在普速铁路设计中有普遍的应用。

图1 承台板的配筋(单位：cm)

近年，随着我国客运专线建设空前的发展,无论是已经运营通车的京津城际、武广、郑西,还是在建的京沪、哈大等多条客运专线均引入了国际咨询机制,根据多个项目国外咨询的建议,现阶段的客运专线桥梁承台板配筋设计按照如下原则执行：位于7、8度地震区的客运专线桥梁的承台板配筋,采用六面配筋,顶面钢筋的直径不应小于16 mm,间距不应大于15 cm；底面钢筋的设置应根据受力计算确定；其余四面按构造要求配筋[3]。虽然对于承台板配筋的设计提出了以上原则,但针对底面钢筋的受力计算,尚未给出明确的计算原则和方法。

3 现行桩基承台板设计理论

关于桩基承台板配筋的计算方法,从1994年以后始见于我国各行业结构设计规范,其中《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)、《钢筋混凝土承台设计规程》(CECS88：97)、《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)以及美国公路桥梁设计规范《AASHTO-LFRD》中都给出了承台板的计算规定[4]。

根据以上建筑和公路行业规范的相关规定,承台板的配筋检算基本可以分为“梁式体系”和“撑杆-系杆体系”两种计算方法,另外在铁路桥梁设计中,针对刚性角超过35°的承台板,通常采用《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—99),按钢筋混凝土构件进行检算。以上几种计算方法均基于承台板为刚性体的假定,在群桩与承台板的结构体系中,承台板的刚度其实是一个相对的概念,表示的是桩与承台板的相对刚性程度,日本研究人员认为：在一般规模的桥台、桥墩中,把承台板视为刚体来进行讨论,能够满足一般精度的要求。在文献[5]中提到了承台板视为刚体的判别条件

式中μ——承台板刚度系数；

E——承台板混凝土弹性模量；

I——每排桩所对应承台板截面惯性矩；

KV——桩的轴向弹性系数；

l——桩间距；

n——桩列数。

根据以上公式,将惯性矩I的计算公式代入,即可得到判别刚体条件的承台板厚度要求

式中D——桩径；

h——承台板厚度。

根据此种方法结合桩基计算承台板位移,可以得到将承台板视为刚体的厚度。以客运专线铁路桥梁常用的桩基布置承台板为研究对象,在满足承台板为刚体的条件下,通过对几种不同方法计算结果的对比,探讨承台板的配筋情况,并提出设计建议。

3.1 “梁式体系”的计算方法

“梁式体系”为国内的建筑行业规范所采用,是传统的承台板计算办法,而对于铁路承台板构件,其高度对于桩间距来说较大(跨高比≤2的简支单跨梁和跨高比≤2.5的简支多跨连续梁),其构件内力及截面应力分布比建筑行业的深受弯构件更具特殊性,难以按照一维问题及简单的平截面假定进行分析计算和配筋,这类构件可称为“深梁”。按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—99)第10.7条,将承台板两悬臂模拟为简支梁,其正截面受弯承载力应符合下列规定

M≤fyAgz

当l0

式中x——截面受压区高度,当x<0.2h0时,取x=0.2h0；

h0——有效高度,h0=h-as；当l0/h≤2时,跨中截面取as=0.1h,支座截面取as=0.2h；当l0/h>2时,取受拉区纵向受拉钢筋截面重心至受拉区边缘的距离。

以上计算方法为规范规定的深受弯构件计算方法,对于深梁,还需进行斜截面受剪承载力检算和纵向受拉钢筋的配筋率[6]计算。

3.2 “撑杆-系杆体系”的计算方法

“撑杆-系杆体系”的计算方法是美国公路桥梁设计规范《AASHTO-LFRD》中采用的方法,当采用材料力学的常规方法难以适应时,该体系模型能够提供一个确定荷载作用途径和效应的近似方法[7]。另外在我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第8.5.3条中也明确规定：当外排桩中心距墩台身边缘等于或小于板高度时,承台短悬臂可按“撑杆-系杆体系”计算撑杆的抗压承载力和系杆的抗拉承载力[7],如图2所示。按照规范给出的计算方法,撑杆内的极限压应力fcd,s为

图2 “撑杆-系杆体系”图示

γ0Did≤tbsfcd,s

式中Did——撑杆压力设计值,其中Did=Nid/sinθi,Nid为承台板悬臂下桩所在排的桩根数乘以该排桩中最大单桩轴向力；

fcd,s——撑杆混凝土轴心抗拉强度设计值；

fcu,k——边长150 mm混凝土立方体抗压强度标准值；

Tid——与撑杆相应的系杆拉力设计值；

As——在撑杆计算宽度bs范围内系杆钢筋截面面积。

其中撑杆的有效高度t按照如下公式计算

t=bsinθi+hacosθi

ha=s+6d

式中t——撑杆的计算高度；

b——桩的支撑宽度,取桩径的0.8倍；

s——系杆钢筋的顶层钢筋中心至承台底的距离；

d——系杆钢筋直径,当采用不同直径钢筋时,采用加权平均值；

θi——撑杆压力线与系杆拉力线的夹角。

3.3 钢筋混凝土构件(铁路规范)计算方法

目前为止,铁路规范尚未明确规定承台板配筋计算方法,但长期以来对刚性角超过35°的承台板,按照钢筋混凝土构件(铁路规范)的计算方法,也经过了长期的实践考验,在现阶段可以说是一种比较安全简便可行的设计方法。检算截面示意见图3。需检算的项目主要有以下几个方面[8]。

图3 检算截面示意

(1)单根桩对承台板剪切验算,其中最外侧桩顶对承台板的直接剪应力应满足

按规范要求纯剪应力容许值[τ]=1.10 MPa。

(2)最外排桩内缘位置截面(Ⅲ-Ⅲ截面、Ⅳ-Ⅳ截面),承台板剪力验算,其剪应力应满足

其中G为检算方向承台板自重,纯剪应力容许值[τ]=1.10 MPa。

(3)墩底与承台板连接处,承台板底面竖向截面处(Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面),钢筋拉应力验算,混凝土压应力验算,裂缝宽度验算

式中M1——桩顶的轴向力对检算截面的弯矩；

M2——截面外承台板自重对检算截面的弯矩；

W0c——混凝土截面抵抗矩；

W0g——钢筋截面抵抗矩。

其中混凝土弯曲受压容许压应力[σb]=10 MPa,HRB335钢筋在主力作用下容许应力[σs]=180 MPa,裂缝宽度容许值[wf]=0.2 mm[9]。

4 几种计算方法的计算结果比较

采取以上3种方法分别对8根φ1 m、10根φ1 m、12根φ1 m、10根φ1.25 m、12根φ1.25 m摩擦桩承台板进行配筋计算,采用直径为25 mm的HRB335钢筋,配筋计算结果见表1。

表1 3种计算方法配筋计算结果比较

由表1计算结果分析可知,“撑杆-系杆体系”和“梁式体系”计算结果相差不大,并且均大于铁路基础规范规定的构造要求配筋。钢筋混凝土构件(铁路规范)方法计算结果大于以上两种方法配筋。比按“撑杆-系杆体系”计算的配筋大至少12%。按照铁路规范，钢筋混凝土构件检算时,以上几种承台板构造除8根φ1 m桩为强度控制配筋外,其余4种均为裂缝控制配筋。可见,在承台板内不设斜筋的情况下,采用铁路规范计算时,能够很好地通过计算承台板剪应力、正应力和裂缝宽度控制配筋。

5 有限元法实体模型分析

以8根φ1.0 m摩擦桩承台板为例,承台板尺寸为4.8 m×10.4 m×2.0 m,其中桩间距按照《铁路桥涵地基基础规范》要求按照2.5倍成孔桩径设计,即2.8 m,单桩轴向力按照主力作用时容许值4 000 kN考虑,模型采用2 m高墩,并在墩顶加固定约束,8根桩加竖向外力每根4 000 kN,采用Midas/Civil软件中的实体块单元建立模型如图4所示。

图4 桩基承台板实体模型

承台板位移见图5,其中最大位移处为图中右下角处,位移为0.948 mm。采用承台板刚体判别公式中计算结果为1.89 m,综合考虑,计算模型满足承台板刚性假定。

图5 承台板变形

承台板底剪应力云图见图6,从图中可以看出,承台板底部单桩剪应力及墩底与承台板连接处(对应图3中Ⅰ-Ⅰ截面、Ⅱ-Ⅱ截面)剪应力较大,最大值2.45 MPa。

图6 承台板底部剪应力云图

承台板底正应力云图见图7、图8,从图7中可以看出,横桥向承台板底部最外排桩之间均为拉应力,承台板底部(对应图3中Ⅲ-Ⅲ截面)拉应力最大,为3 MPa,承台板顶面均为压应力。

从图8中可以看出,承台板底部纵桥向最外排桩之间(对应图3中Ⅳ-Ⅳ截面)均为拉应力,承台板底部纵向中心拉应力最大,为1.8 MPa。

图7 横桥向承台板底正应力云图

图8 纵桥向承台板底正应力云图

由实体模型计算结果可知,剪应力与主应力的最不利位置基本与按照钢筋混凝土构件(铁路规范)检算位置相符,且数值均较小,与悬臂板受力趋势相同,证明可以按照普通钢筋混凝土构件计算。

6 几点建议

(1)承台板受弯计算的控制截面在墩边或最外排桩内侧,这一点看法各种理论是统一的,但无论国内建筑和公路规范中采用了“梁式体系”和“撑杆-系杆体系”，计算方法都是基于一定层面上的简化分析方法,采用有限元分析方法比较能够反映承台板的实际受力情况,但计算结果表明,承台板内的主拉应力很小,且只在局部范围内出现。所以笔者认为在铁路规范没有正式规定前,当前对客运专线桥梁桩基承台板的配筋按照钢筋混凝土构件(铁路规范)的设计方法是偏于安全的。即首先宜满足刚性角的要求,再进行钢筋配置,对于大量的客运专线常用跨度桩基础,与墩身及梁部相比,承台板体量不是很大,更适于用这种方法控制承台板设计。

(2)承台板的裂缝宽度是必须检算的,由于铁路桥梁桩基承台板均为非预应力结构,故开裂是必然的,当处于特殊侵蚀环境下对结构的耐久性要求较严格时,它甚至控制承台板钢筋数量和钢筋型号的选择。

(3)按照铁建设函[2006]338号的规定及结合设计实际情况,承台板采用六面网格配筋,其底面配筋率不小于0.15%,当桩径为1.0 m时,钢筋直径不小于20 mm；桩径为1.25、1.5 m时,钢筋直径不小于25 mm,钢筋间距10 cm,可作为承台板配筋的设计参考。

(4)跨越高等级公路、铁路或大堤时,通常采用较大跨度的梁跨结构,需要设置较大体量的承台板结构,这时可不按照刚性角控制设计,而是适当减小承台板的厚度(刚性角在45°以内),综合考虑刚度、厚度及配筋情况，对减小施工难度以及节省工程投资有较大好处。

[1]铁道第三勘察设计院.铁路工程设计技术手册—桥涵地基和基础[M]北京：中国铁道出版社,2002.

[2]张天明.承台的配筋问题探讨[J].华东公路,1991(2):78-79.

[3]李敬增.客运专线铁路承台板设计若干问题探讨[J].铁道标准设计,2007(2):60-62.

[4]李文会.桥梁桩基承台的受力分析[J].都市快轨交通,2005(3):59-62.

[5]岑国基,邱 岳.桥梁桩基承台设计[J].广东公路交通,2000(增):27-33.

[6]袁伦一.桩基承台设计方法浅谈[J].公路,1999(4):12-19.

[7]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[8]刘名君,粟怀广.钢筋混凝土承台配筋设计理论的探讨[J].铁道标准设计,2004(10):7-8.

[9]TB10002.3—99，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[10]GB50010—2002，混凝土结构设计规范[S].