软土地区铁路桥大直径群桩基础的大型厚承台设计实践

陈　亮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

软土地区铁路桥大直径群桩基础的大型厚承台设计实践

陈亮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要针对软土地区铁路桥大直径超长群桩基础，以甬江铁路桥为背景，采用有限元数值分析(三维实体模型)、撑杆-系杆体系、梁式体系3种计算方法对超大桩头力、不等长桩的铁路桥梁大型厚承台进行计算。结果表明，不等长桩的大型厚承台在强大荷载作用下，基础位移及基础变位所致塔顶位移均不显著，而承台底面主拉应力较大，需作配筋设计和验算。

关键词软土地区铁路桥群桩基础大直径桩超长桩不等长桩大型厚承台设计与计算

1工程概况

宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥(简称甬江铁路桥)位于浙江省宁波市，桥址处主河槽宽180 m，两岸为边滩和陆地，地势平缓，下游64.8 m处有建成通车、主跨468 m的宁波绕城公路斜拉桥。

甬江铁路桥主桥采用53 m+50 m+50 m+66 m+468 m+66 m+50 m+50 m+53 m钢箱混合梁斜拉桥，主跨与公路桥对孔布置，桥型布置见图1。混凝土主梁伸入中跨24.5 m，其余中跨采用钢箱主梁[1]。

图1　主桥桥型布置(尺寸单位：cm)

2大直径超长群桩基础设计

索塔区的淤泥质土及流～软塑黏土为主要的不良工程地质层，含水率高，物理力学性质差，分布厚度较大，北塔、南塔的软弱层分别厚约25，45 m。基岩埋深达110～130 m，为软硬不均岩层，岩性较差。

受紧邻公路桥的基础布置限制，2索塔承台顺桥向×横桥向×厚度为27 m×38.9 m×6 m，塔座为高3 m的楔形体，上截面尺寸顺桥向×横桥向为15 m×28.9 m，下截面尺寸顺桥向×横桥向为18.6 m×33.3 m。

桩基础均采用24根直径3 m钻孔灌注桩，顺桥向4排，横桥向6排，纵向桩中心距7.2 m，横向桩中心距6.7 m，最大桩长132.5 m。索塔基础布置见图2。

图2　索塔基础布置(单位：cm)

3基于超大桩头力的承台检算

为研究甬江铁路桥承台在索塔和群桩反力作用下，承台内部的应力如何分布，采用有限元数值分析、“梁式(深梁)体系”“撑杆-系杆体系”3种方法相结合并予验证，对甬江铁路桥的大型厚承台进行了检算。

3.1　承台有限元数值分析

(1) 计算参数及计算模式。北塔承台采用C40混凝土，南塔承台采用C45混凝土，2索塔桩基础均采用C45混凝土，材料性能指标按文献[2]取值。

基于ANSYS计算程序，取承台以及不等长桩基为主体进行建模，承台用实体单元模拟，桩用梁单元模拟，桩-土效应采用等代弹簧刚度计算的m法来模拟[3]。计算模型总单元数50 962个。

空间梁单元与空间实体单元共用节点时其连接为铰接，如要刚性连接可通过建立约束方程、设置刚性区、MPC184刚性梁等方法实现。人工编写约束方程较为繁琐，MPC184刚性梁连接易产生应力集中。本桥采用CERIG自动建立约束方程的方法，实现了3D梁单元与3D实体单元连接的合理准确模拟。其有限元分析模型见图3。塔柱传递到塔座6个方向的内力通过均布竖向力、均水平力和梯形分布荷载准确模拟。

图3　群桩基础有限元空间模型

(2) 主要计算结果

① 位移。针对各种荷载工况(组合)作用下承台的竖向位移和转角位移作了计算，选取2种工况下的位移云图，见图4。

a)　竖向位移图：恒载作用

b)竖向位移图：活载总包络(对应最大横桥向剪力组合)

图4承台竖向位移云图

各种荷载工况(组合)作用下，承台的最大竖向位移不超过4.2 cm，承台最大横桥向和顺桥向转角位移分别为0.03°和0.02°，由基础不均匀沉降造成的塔顶最大水平偏移约为12 mm。

综合分析位移云图和计算结果，可见：① 由于长桩底部土层强度较低，且长桩本身发生弹性变形的压缩量显著，在强大荷载作用下，承台会发生竖向位移，而长桩一侧承台竖向位移大，短桩一侧承台竖向位移小，长、短桩的相对位移则引起不均匀沉降(用转角位移表示)；② 承台竖向位移、顺桥向和横桥向转角位移均不显著；③ 承台的整体竖向位移、整体转角位移以及承台转角位移引起的塔顶水平偏移，对全桥结构影响在全桥计算中以柔度矩阵的形式已予以考虑[4]。

② 应力。现以零配筋率的混凝土计算承台应力(名义主拉应力、主压应力和竖向剪切应力)。图5列出了主+附组合作用下3种名义应力的应力云图，表1列出各种最不利组合下的应力结果。

a)最大主拉应力b)最大主压应力

c)长边冲切面的d)短边冲切面的

最大剪切应力最大剪切应力

图5承台(不含塔座)应力云图

表1　基于有限元分析的承台应力表(不含塔座)MPa

综合分析承台的应力计算结果，可见：①承台顶面主要表现为受压，最大主压应力为5.76 MPa，承台底面主要表现为受拉，最大主拉应力为4.86 MPa；②承台最大剪切应力发生在塔座下周缘的冲切面上，剪切应力介于1.64～1.66 MPa；③在未配筋的情况，剪应力以及主压应力都满足规范要求[3]，而名义主拉应力稍大，需要进行配筋验算。

3.2　基于“撑杆-系杆体系”的承台检算

采用“撑杆-系杆体系”计算方法，本文对承台进行了按撑杆的抗压承载力、按系杆的抗拉承载力、斜截面抗剪承载力、冲切承载力(含角桩和边桩)、主应力、剪应力等检算，并确定了承台的合理配筋。

根据计算：承台顺桥向截面最大主拉应力为 0.718 MPa，最大主压应力为3.447 MPa，最大剪应力为0.514 MPa，最大钢筋拉应力大小为163.3 MPa，皆在允许应力范围之内；承台横桥向截面最大主拉应力为0.670 MPa，最大主压应力为4.103 MPa，最大剪应力为0.514 MPa，最大钢筋拉应力为164.2 MPa，亦皆在允许应力范围之内。

3.3　基于“梁式体系”的承台检算

基于“梁式体系”，承台按深梁检算抗剪强度，并计算受拉钢筋面积。检算表明：承台截面尺寸及配筋合理，满足结构受力要求。

4结语

针对甬江铁路桥索塔群桩基础，采用有限元数值分析、梁式(深梁)体系、撑杆-系杆体系完成了铁路大型厚承台的检算。甬江铁路桥索塔大直径超长群桩基础于2012年9月全部完成， 2014年12月，甬江铁路桥建成通车。该桥设计的成功实践，可为类似工程的大型厚承台的设计与计算提供借鉴和参考。

参考文献

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥主桥施工图设计[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司,2010.

[2]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].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[4]刘金砺，黄强，李华，等.竖向荷载下群桩变形性状及沉降计算[J]. 岩土工程学报，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