橋梁樁基承臺設(shè)計

1、橋梁樁基承臺設(shè)計岑國基邱岳(廣東虎門技術(shù)咨詢有限公司, 廣州510080摘要:我國橋梁樁基承臺設(shè)計, 在現(xiàn)行橋涵設(shè)計規(guī)范中無特別要求。例如:剪應(yīng)力和剪切跨高比的關(guān)系; 剪切面與彎矩控制截面的確定; 鋼筋布置等均未規(guī)定。搜集了一些國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范及各家論文, 摘要寫出來并提出看法, 供設(shè)計者參考。關(guān)鍵詞:橋梁樁基承臺設(shè)計中圖分類號:U443.25文獻標識碼:C1引言橋梁樁基承臺設(shè)計是一個普通的結(jié)構(gòu)課題。雖然承臺內(nèi)的應(yīng)力系統(tǒng)很復(fù)雜, 但通過各種假定及簡化后, 就可按照一般靜力計算方法及鋼筋混凝土構(gòu)件計算原則進行設(shè)計?？梢哉J為計算精度是合適的, 結(jié)構(gòu)也是安全的。但是, 具體到樁基承臺設(shè)計時, 由于國內(nèi)

2、現(xiàn)行的公路及鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范, 對承臺計算及結(jié)構(gòu)構(gòu)造均未提出特殊要求, 因此在設(shè)計時也常遇到些比較困惑的問題, 例如:承臺剪力及彎矩計算的控制截面; 剪應(yīng)力的提高系數(shù); 鋼筋布置及其錨固型式要求等等。一般只能憑個人經(jīng)驗以及參考一些成熟的設(shè)計圖紙進行設(shè)計。遇到一些樁基及承臺布置得較為特殊一些, 就容易出問題。最近由于工作接觸到一些樁基承臺設(shè)計, 曾發(fā)現(xiàn)一些處理不當(dāng)之處, 而且是偏于不安全。為了說清問題, 只好借鑒一些國外規(guī)范進行修正改進。今將搜集到的少量資料, 摘要介紹出來(并非按原文照摘, 系體會原文精神而寫 , 并提出筆者意見, 供設(shè)計者參考, 以補我國橋梁設(shè)計規(guī)范之不足。K V 一根樁的軸

3、向彈性常數(shù)/(t/m ;樁的中至中間距/m ; n 樁列數(shù)。若將E =2700000t/m , I =(2. 5D 32312代入式(1 ,則有:h >24(2式中:D 樁徑/m ; 2. 5D 樁距/m ; h 承臺厚/m 。因此, 對各種類型的樁, 由承臺寬度條件就可由式(2 得到將承臺視作剛體的厚度。(2 采用與明挖基礎(chǔ)類似的方法, 類推基樁承臺的厚度, 其結(jié)論為:承臺視作剛體的最小厚度近于其寬度的1/5。隨著樁徑增大, 樁數(shù)增加, 承臺最小厚度逐漸大于寬度的1/5。此外, 承臺厚度尚須考慮樁頂?shù)臎_剪作用。樁頂上承臺的厚度可按破壞面為45°角擴散, 一般來說, 這個厚度必

4、須大致滿足等于樁徑這個條件。承臺頂面傾斜度小于1 2。綜上所述, 承臺視作剛體的厚度其大致標準可參見圖1所示。2承臺截面設(shè)計承臺計算一般均假定是剛體, 從而大大簡化了計算, 大多數(shù)情況下是偏于安全方面。承臺剛度首先決定于承臺厚度。承臺厚度的選擇在參考文獻1中介紹了兩種方法:(1 承臺能視作剛體的厚度是由地基相對剛度來確定的, 其條件可由式(1 判別:=(1 3>K v 10式中:承臺剛度系數(shù);E 承臺混凝土彈性模量/(t/m 2 ; I 每一排樁所對應(yīng)的承臺截面慣性距/m 4;4圖1承臺視作剛體的厚度大致標準3承臺受剪計算承臺厚度除了滿足剛度要求外, 更重要的是27保證抗剪能力的需要。在

5、抗剪設(shè)計上, 各國規(guī)范及各家論文均有不同的計算方法, 現(xiàn)挑選幾種方法, 介紹如下。3. 1參考文獻2“大直徑基樁承臺設(shè)計”文章介紹了采用1/5縮尺做的樁基鋼筋混凝土承臺模型試驗, 其試件墩身長度與承臺長度相同, 因此承臺所受彎矩與剪力均是單向受力, 其試驗主要結(jié)果摘錄如下:3. 1. 1影響承臺抗剪能力的主要因素(1 主鋼筋率x 增加時, 其最大荷截亦隨之增力似無多大影響。(2 剪切跨高比a/d 越小則承載能力越大, a/d 對承臺抗剪能力有很大影響(a 為樁中心至墩身邊的距離, d 為承臺有效高度 。(3 使用了豎直U 形鐙筋的抗剪鋼筋并無效益, 反使承臺抗剪能力下降。(4 挑出長度L (即

6、外側(cè)樁中心至承臺邊的距離 對抗剪能力有相當(dāng)影響, 一般地, 承載能力隨L 的增長而增長。3. 1. 2容許抗剪應(yīng)力和剪切跨高比該文提供的容許抗剪力 值(見表1 系參考該文試驗的成果, 以及外國各類規(guī)范, 并在可能范圍內(nèi)比照日本混凝土標準規(guī)范的數(shù)值。大, 承臺抗剪能力可大致按與x 成正比考慮。分布鋼筋率y 和上側(cè)分布鋼筋率y , 對承臺抗剪能表1容許抗剪應(yīng)力l (無斜筋時設(shè)計標準強度C ck /(kg/cm 2 括號內(nèi)數(shù)字單位為MPa180(17. 7210(20. 6 3. 7(0. 36240(23. 5 3. 9(0. 38270(26. 5 4. 2(0. 41300(29. 4 4.

7、5(0. 44400(39. 2 5. 5(0. 54l 3. 5(0. 34抗剪能力剪切跨高比當(dāng)a/d =1. 0時, 其增大系數(shù)在2. 0附近, 因此采取增大系數(shù)的形式為:r =(筆者注:此增大系數(shù)接近BS -5400, 只是a 的a計算不同, 后者a 為樁與墩身凈距加0. 2倍樁徑 。3. 1. 3主鋼筋率主鋼筋率x 對于抗剪能力有很大影響, 大致與當(dāng)主筋率低于0. 3%時, 表1中容x 成正比。許抗剪應(yīng)力必須乘以/0. 3的相應(yīng)降低值。3. 1. 4抗剪鋼筋為了使承臺設(shè)計得經(jīng)濟而把承臺的厚度減小, 雖可考慮使用斜筋, 但要設(shè)置有效配筋是非常困難的, 而豎直U 形鐙筋的設(shè)置, 則如前所述

8、反會使抗剪能力下降。因此按照現(xiàn)行承臺一般結(jié)構(gòu)厚度來看, 最好采用表1所列不設(shè)斜筋時的容許抗剪應(yīng)力。3. 1. 5建議的設(shè)計方法對于每側(cè)配置一列樁的基礎(chǔ), 當(dāng)樁中心至墩身前緣間的距離, 少于檢算截面處承臺有效高度的2倍時, 可按如下辦法設(shè)計。有效寬和檢算截面的取法示于圖2, b 為計算有效寬。關(guān)于剪力的檢算截面, 規(guī)定為樁中心至墩邊 前緣間的等分點的截面A -A 。28圖2承臺的剪力檢算截面及有效寬度剪應(yīng)力按式(3 計算, 不得超出表1中的容許剪應(yīng)力a=(3 bd式中:s 考慮剪切跨高比的影響, 按r =a降低了的荷載產(chǎn)生的剪力;b 有效寬2a (筆者認為偏保守 ; d 檢算截面A -A 處的有

9、效高。當(dāng)遇到多排樁時, 可如圖3的按剪切跨高比折減荷載的計算方法。3. 2英國BS5400(1984 英國混凝土橋設(shè)計實施規(guī)范, 承臺的抗剪強度由下列兩個條件中較嚴重者控制:(1 貫穿整個承臺寬度的任何垂直截面的剪應(yīng)力, 相當(dāng)于實心板的剪應(yīng)力, 一般情況, 可用公式(4 計算: 表3s 值有效高度d 200015001000500400300250200150圖3根據(jù)剪切跨高比考慮設(shè)計荷載的折減100s0. 700. 750. 851. 001. 051. 151. 201. 251. 351. 50(2 樁的沖切剪力?？芍苯硬殚喸撘?guī)范條文,=bdbd(4式中:由極限荷載產(chǎn)生的剪力;b 為所考

10、慮的承臺寬度; d 承臺受拉鋼筋的有效高度。以把箍筋間距增加到d 。2表2混凝土極限剪應(yīng)力c /(N/mm 200. 310. 370. 470. 590. 740. 85250. 340. 400. 500. 630. 800. 91300. 360. 420. 530. 670. 850. 97400. 390. 470. 590. 740. 931. 060. 150. 250. 501. 002. 00計算截面的剪跨比x =3. 00注意:對沖剪情況b =b s (見圖5 。在設(shè)置了頂部與底部鋼筋的情況下, 表2中所用A s 的面積, 僅考慮樁基荷載作用下, 承臺受拉鋼筋的面積。當(dāng)彎曲

11、受拉鋼筋全部延到樁的中心線, 并留有超過中心達20倍鋼筋直徑的錨固長度, 該部份截面的允許極限剪力可以增加到2d/a s c 。其中:a 墩表面至控制截面的距離; d 截面受拉鋼筋的有效高度。o 樁基重要性系數(shù)。如果需要配置箍筋及斜筋時可參見原規(guī)范的計算公式。4承臺受彎計算4. 1英國BS -54001984(1 獨立墩承臺彎矩計算, 其控制截面可取墩(柱 面處, 其彎矩應(yīng)取該截面一側(cè)的極限荷載應(yīng)當(dāng)a 取墩表面至較近樁的凈距, 再增加樁直徑的20%, 其允許極限剪應(yīng)力應(yīng)取整個截面的平均值。力所產(chǎn)生彎矩, 不考慮彎矩重分配, 也不考慮承臺的撓度。承臺應(yīng)作為相應(yīng)的“梁板”或“平板”結(jié)構(gòu)進行設(shè)計?！?/p>

12、梁板”式承臺可按梁設(shè)計“, 平板”式承臺29100A 混凝土等級b o 承臺計算截面處的計算寬度; h o 承臺計算截面處的有效高度;, 。此y =h o h o處a x 、a y 為墩邊或承臺變階處至x 、y 方向計算一排樁的樁邊的水平距離, 當(dāng)<0. 3時, 取=0. 3; 當(dāng)>3時, 取=3, 滿足0. 33. 0。當(dāng)剪應(yīng)力小于s c 時, 無須設(shè)置剪切鋼筋;當(dāng)大于它時, 應(yīng)當(dāng)像梁一樣設(shè)置剪切鋼筋, 但可此處略。3. 3建筑樁基技術(shù)規(guī)范J G J94-94樁基承臺剪力計算, 它分斜截面承載力計算及受沖切計算, 由于內(nèi)容較多, 篇幅所限, 不能詳細介紹, 僅介紹斜截面的受剪承載

13、力計算。e b o h o (5 o<1. 4時=當(dāng)0. 3+0. 3=當(dāng)1. 43. 0時+1. 5式中:斜截面最大剪力設(shè)計值;c 混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值;應(yīng)按其所考慮截面抵抗的總彎矩和總剪力來設(shè)計。當(dāng)所考慮截面的寬度小于或等于1. 5(b col +3d 時, 鋼筋應(yīng)均勻地分布在所考慮截面的整個寬應(yīng)用“板式法”。該法是基于承臺呈雙向板式破壞的假定下建立起來的。任一基樁反力引起的彎矩在板的兩個正交方向按距離分配, 計算截面取在柱的中心線。80年代以來, 有關(guān)單位進行的大量模型試驗度上, 這里b col 為墩(柱 的寬度, d 為承臺受拉鋼筋的有效高度。截面寬度較大時, 鋼筋面積的2/

14、3應(yīng)集中在墩(柱 為中心(b col +3d 寬度上。承臺可以用彎曲理論或桁架相似理論設(shè)計。桁架的頂點取在加載截面的中心處, 桁架的底邊取在樁的中心線與受拉鋼筋的交點上。樁基承臺設(shè)計時, 任何給定截面上的鋼筋應(yīng)當(dāng)均勻布置。當(dāng)承臺按桁架相似理論設(shè)計時, 80%的鋼筋應(yīng)當(dāng)集中在連接樁頭的窄條上, 而剩余的鋼筋應(yīng)全部均勻地分布在承臺上。(2 承臺鋼筋的粘結(jié)和錨固。用于抵抗樁的表明, 柱下獨立樁基承臺呈“梁式破壞”。所謂梁式破壞, 指撓曲裂縫在平行于柱邊兩個方向交替出現(xiàn)(見圖4 , 最大彎矩產(chǎn)生于平行于柱邊兩個方向的屈服線處。利用極限平衡原理導(dǎo)得兩個方向的承臺正截面彎矩計算式為:M x =N i Y

15、iM y =N i X i式中:M y 、M x 垂直于X 軸、Y 軸方向計算正截面處的彎矩設(shè)計值;X i 、Y i 垂直于Y 軸、X 軸方向自樁中心到荷載所需要的彎曲鋼筋應(yīng)當(dāng)全部延伸到樁的中心線并超過中心線達20倍鋼筋直徑的錨固長度。為了避免由于鋼筋在很短的長度內(nèi)拉力變化過大而造成的局部粘結(jié)破壞, 由式(6 算得的局部粘結(jié)應(yīng)力bs 不得大于表4中的值。表4局部粘結(jié)極限應(yīng)力/(N/mm 2 鋼筋類型光面鋼筋第一類變形鋼筋第二類變形鋼筋混凝土等級201. 72. 12. 6252. 02. 52. 9302. 22. 83. 340或40以上2. 73. 44. 0相應(yīng)計算截面的距離。顯然, 梁

16、式法的彎矩計算值大于板式法 。bs =±(M/d tan (6u s d式中:由極限荷載所產(chǎn)生承臺的剪力;u s 為受拉鋼筋有效周邊的和;d 為受拉鋼筋的有效高度; M 由極限荷載產(chǎn)生的截面彎矩;圖44樁承臺彎矩破壞模式5承臺配筋樁基承臺配筋及其布置形式以及錨固區(qū)域長度等諸因素, 均影響承臺的抗彎及抗剪強度。5. 1參考文獻1“承臺應(yīng)力分析與設(shè)計”為截面受壓表面與受拉鋼筋間夾角。s 當(dāng)彎矩數(shù)值隨截面有效高度在同一方向上增加時, 式(6 取負號。(3 承臺的裂縫控制, 依據(jù)承臺的類型和設(shè)計承臺鋼筋按懸臂梁或連續(xù)梁配置, 它是按有效寬度與有效高度為矩形的截面計算配筋, 其它部份可用同有效

17、寬度范圍一樣配筋或是按有效寬度內(nèi)鋼筋數(shù)量的一半以上配筋, 頂面配筋量不必計算, 只需按底面鋼筋數(shù)量的1/3以上配筋, 在離墩柱側(cè)面和承臺端面距離各為1m 的范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置加強鋼筋(見圖5 。處理進行計算, 由于公式較繁, 不再介紹, 可直接參考原文。4. 2建筑樁基技術(shù)規(guī)范J G J94-94柱下獨立樁基承臺的彎矩計算模式取決于承臺的受彎破壞模式。我國建筑工程實踐中曾長期30 (1 按有效寬度內(nèi)必須配置的主筋量配筋且主筋帶L 形彎鉤;(2 按有效寬度內(nèi)必須配置的主筋量配筋, 且主筋帶L 形彎鉤; (3 其它頂面鋼筋按數(shù)量不少于底面主筋A(yù) s /3的原則配筋; (4 按有效寬度b 配筋的主筋;(5

18、 有效寬度外所有截面均同有效寬度內(nèi)一樣配筋或是按其1/2量配筋; (6 按有效寬度內(nèi)所須主筋量配筋; (7 采用大于<13的鐙筋。圖5承臺配筋承臺計算中的有效寬度, 分別情況為:彎曲時按45°擴散角考慮; 剪切時按整個截面考慮; 樁間距很大時頂面主筋配置的有效寬度應(yīng)另行考慮(見圖6 。a. 對于彎矩的有效寬度b. 樁間距很大時的有效寬度c. 配置頂面主筋時的有效寬度圖6承臺設(shè)計中的有效寬度最小配筋量, 承臺截面都很厚, 為此, 應(yīng)按少筋用4根樁基組成的承臺試驗, 樁距為樁徑的23倍, 樁徑為200mm , 承臺平面尺寸為950mm ×950mm 和750mm 

19、5;750mm 兩種, 承臺高為450mm ;混凝土結(jié)構(gòu)考慮其最小配筋量。按規(guī)范規(guī)定, 最小配筋量應(yīng)大于由混凝土開裂彎矩確定的最低限度配筋量, 當(dāng)鋼筋屈服強度為300MPa , 混凝土設(shè)計立方強度ck =2124MPa 時, 計算承臺的最小配筋率可定為0. 2%。5. 2關(guān)于樁頂承臺鋼筋細節(jié)問題全部采用高屈服點的鋼筋, 考慮了3種布置形式(圖7 及4種鋼筋錨固型式(圖8 , 所有承臺頂部未設(shè)鋼筋。布筋細節(jié)雖然不影響是剪切破壞或是撓曲破壞, 卻顯著地影響著臨界荷載值。其結(jié)論如下, 首31在參考文獻5中, 英國水泥和混凝土協(xié)會曾2000 年增刊 廣東公路交通 總第 66 期 先 ,考慮鋼筋不設(shè) &

20、quot;名義錨固" 的承臺 , 其結(jié)果是把 鋼筋聚集在周邊上成方形的優(yōu)于網(wǎng)格形 , 可以使 破壞荷載提高 15 % ; 沿對角線聚集的鋼筋布置與 網(wǎng)格形相比并不能提高破壞強度 , 其次考慮網(wǎng)格 形布置而具有不同的錨固長度它增加承載能力 5 % ,當(dāng)采用全長錨固時增加承載能力 30 % , 且均 是撓曲破壞而不是剪切破壞 ; 采用全長錨固加短 彎這種類型并不能提高其破壞強度 .上述增加的 30 %可能不是出于錨固長度的效果 ,而是彎起鋼筋 跨越了破壞面上的裂縫形成抗剪鏈桿的結(jié)果 .試 驗承臺破壞荷載結(jié)果見表 5 . 總之 , 關(guān)于鋼筋的布置和需要的錨固長度是 圖7 試驗用的樁基承臺的

21、鋼筋面置 a. 網(wǎng)格形 :每向 10 根 , 中距 90 mm ; b. 帶狀方形 :每向 5 根 , 中距 30 mm ; c. 對角線帶狀 : 每向 7 根 ,中距 30mm . 圖8 試驗的樁基承臺的鋼筋錨固形式 a. 無錨固 b. 名義錨固 c. 全長錨固 d. 全長錨固加短彎 表5 試件細節(jié)及破壞荷載 試驗承臺 承臺編號 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 B1 B2 B3 名義錨固 = 標準 90° + 40mm 直段 . 彎 全長錨固加短彎 = 標準 90° + 230mm 直段 + 第二個 90° . 彎

22、彎 撓曲控制 ,還是剪切控制設(shè)計來決定 , 如果是撓曲 控制 ,用直鋼筋沿承臺邊并越過樁頭網(wǎng)狀位置 ; 如 ·32 · 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 每一方向 <10mm 的鋼筋數(shù) 鋼筋布置 網(wǎng)格形 帶狀方形 帶狀對角形 網(wǎng)格形 帶狀方形 帶狀對角形 網(wǎng)格形 帶狀方形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 網(wǎng)格形 錨固形式 名義錨固 名義錨固 名義錨固 無錨固 無錨固 無錨固 全長錨固 名義錨固 名義錨固 全長錨固加短彎 全長錨固 全長錨固加短彎

23、 全長錨固 全長錨固 全長錨固 實際破壞荷載/ kN 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 110 420 340 230 400 230 640 510 450 520 840 840 080 870 770 10 10 7 10 10 7 10 10 10 10 10 10 8 10 6 果是剪切控制 ,則鋼筋全長錨固在承臺邊彎起 , 布 置成網(wǎng)格形 . 2000 年增刊 岑國基 邱 岳 橋梁樁基承臺設(shè)計 總第 66 期 上述建議是適用于 4 樁承臺的 .它們是否能 夠直接套用到很多樁的承臺上是有疑問的 , 因為 樁的柔性會影響荷載的分布 .為此撓曲理論將較 為合適

24、. 6 討論的問題 前面介紹了各家有關(guān)樁基承臺的計算方法 , 以及相應(yīng)的一些規(guī)定 .筆者扼要歸納幾點 , 并提 出初步看法 ,以供討論 . (1 承臺假定為剛體 , 這一點各家意見是一致 的 .一般講是偏安全的 . 承臺厚度為邊長 1/ 5 , 這一點是有條件的 , 它 主要是講獨立式墩柱基樁承臺 , 它未考慮墩身所 給的影響 , 可能偏于保守 .至于樁頂以上厚度最 少為一個樁徑 , 這點是最少的 .柱頂?shù)臎_剪作用 不能忽視 ( 同時樁頂必須要嵌入承臺內(nèi) 1520cm , 這一點是中國橋梁規(guī)范所規(guī)定 .承臺厚度在剪 應(yīng)力方面的選擇 , 筆者贊同參考文獻 2 大直徑 " 基樁的承臺設(shè)計

25、" 一文的論點 ,以不設(shè)抗剪鋼筋的 要求為準 .它對設(shè)計及施工帶來很多優(yōu)點 , 且不 一定就不經(jīng)濟 , 實際上國內(nèi)很多橋梁樁基承臺也 是這樣設(shè)計的 ,未發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象 . (2 承臺抗剪強度的計算方法是多樣的 , 其中 關(guān)鍵問題是允許剪應(yīng)力提高系數(shù)及計算截面的假 定. 筆者認為 BS5400 規(guī)范是值得推薦的 , 它規(guī)定 得比較完整 .例如 : 混凝土極限剪應(yīng)力值 , 除了混 凝土等級以外 , 尚與鋼筋含量及承臺厚度有關(guān) . 此外 ,還特別規(guī)定了當(dāng)受彎曲鋼筋穿過樁頭并得 到完全錨固時 , 該部份截面的允許極限剪應(yīng)力才 可以按 2. 2 節(jié)所規(guī)定提高 , 這一點是很重要的 , 要 引起設(shè)

26、計者注意 . ( 3 承臺受彎計算 . a. 承臺受彎計算的控制截面在墩邊或承臺截 面變化處 , 這一點看法是各家統(tǒng)一的 .至于承臺 受樁的傳力分配 , 已由原先實行的 "板式法" 理論 , 在 80 年代后發(fā)展到 "梁式破壞"這一點很重要 , 至 , 今仍有部份設(shè)計者認為應(yīng)按 "板式法" 進行分配計 算 , 明顯的它是不安全的 . b. 承臺受彎所需的鋼筋應(yīng)當(dāng)全部延伸并超過 樁中心線最少達 20 倍鋼筋直徑的錨固長度 , 這一 點特別重要 .有的承臺設(shè)計者為了節(jié)約混凝土或 使水流順暢等原因 , 將承臺設(shè)計成菱形 , 承臺兩側(cè) 削角太多 , 以致很多受力鋼筋在未達到樁中心以 前 , 已經(jīng)切斷 , 應(yīng)該說這是一種危險設(shè)計 , 故特別 強調(diào)