对市政桥梁常用独柱四桩承台结构的受力分析与探讨.doc

对市政桥梁常用独柱四桩承台结构的受力分析与探讨健1刘庆仁2 张连普2 王毅娟1王(1 . 北京建工学院 2 . 北京市政工程设计研究总院)摘 要 通过模型试验 、有限元计算和分析对比 ,并结合国外有关规范 ,对市政桥梁工程中常用的独柱四桩承台进行了受力分析和探讨 。指出确定承台破坏模式的重要性 。试验所获得的信息资料 ,分 析结果 ,对完善承台设计计算方法 ,合理配筋 ,具有一定指导意义 。关键词 桩基 承台柱下桩基承台设计计算方法的特点承台设计和验算是桩基础设计的重要内容 ,其 接近实际的计算模型和受力分析方法 ,一直是人们关注的课题 。现今各国规范在此方面的规定也不尽 一致 。本文对市政桥梁工程中常用的独柱四桩承台 受力 、配筋问题进行了进一步研究和探讨 。(1) 我国目前设计计算方法 :我国现行桥梁设计 规范对承台设计计算无明确规定 ,设计人员可按桁架或深梁方法进行承台验算 ,也可参考混凝土结构设计规范和工民建建筑地基基础设计规范。混凝土结构设计规范中承台按极限状态法进 行局部受压 、抗冲剪 、抗弯和抗剪验算 。建筑地基 基础设计规范要求柱下桩基承台应主要满足抗冲 切承载力 、抗剪切承载力 、抗弯承载力及局部承压承 载力的要求 。柱下桩基承台的弯矩可按简化计算方法确定 。(2) 外国规范设计方法的特点 : 美国与俄国的 桩基承台设计方法 ,均以受弯构件计算公式为基础 , 套用梁或板受弯构件计算公式 。考虑剪跨比对剪切 强度的影响 ,由于随剪跨比的减小 ,破坏逐步由弯曲 破坏为主 ,变为剪切破坏为主 。在抗剪和抗冲切计算中如考虑这一影响可使计算结果更加符合实际 。 英国与加拿大的桩基设计方法都是以桁架 ( 拉压杆) 模型为基础进行受力分析 。计算模型主要依 据是承台中主压应力作用分析的结果 ,并假定混凝 土内部存在着传递斜推力的斜压杆 。又由于混凝土 开裂后钢筋与混凝土粘结力遭到破坏 ,纵向钢筋应力沿全跨变化很小 ,实际上已成为一根拉杆 。1图 1 1/ 4 缩制的承台模型的示意图2模型试验分析对按实际承台尺寸 1/ 4 缩制的承台模型 ,其尺寸及破坏情况见图 1 、2 。一般理论认为 : 随着剪跨比减小 ,柱下承台破坏特征从受弯破坏向受冲切破 坏转变 。在模型承台剪跨比的条件下 ,本应是冲切破坏的破坏模式 。但试验结果证实 (剪跨比为0 . 35) 弯曲破坏是此模型的破坏模式 ( 图 2) 。据调查 , 目 前此类承台多同时考虑了几种破坏模式进行图 2 模型破坏情况收稿日期 2003 - 04 - 20VOL. 7 No . 5设计 ,造成钢筋配置较多 。因此正确确定承台破坏模式是承台合理设计配筋的关键 。 模型试验中反映混凝土强度 、配筋率与混凝土开裂的关系的试验统计结果见表 1 和图 3 。表 1 混凝土强度 、配筋率与混凝土开裂的关系模型试验结果对比显示出 ,混凝土强度 、配筋率及混凝土开裂等方面有以下规律 :(1) 在第一破坏特征为弯曲破坏的条件下 ,同样 剪跨比 ,相同配筋率的模型 ,混凝土强度越高 ,初裂 、 开裂 、极限荷载值也就越大 。(2) 当混凝土强度接近 ,配筋率越高 ,裂缝开展 则受到限制 。(3) 掺入钢纤维可增加开裂前承台的强度 ,有助 于承台底面混凝土受拉 ,从而推迟了裂缝的出现 ,改善了承台开裂后的延性 ,限制了裂缝的进一步发展 ,提高了初裂荷载和开裂荷载 。2 . 1承台底面柱间与中心的拉应力和钢筋应力的 关系 承台底面柱间与中心的拉应力的试验结果见图4 。围绕弯曲开裂受力模型进行有限元计算 。模型 在弹性阶段 800 kN 荷载作用下 ,承台底面中心处混 凝土应力与桩间处应力的计算值和试验值 ,以及相 应部位的钢筋应力的计算值与试验值的对比见表2 。由试验模型结构的原型某桥承台实际工程中承 台底面中心钢筋与桩间处钢筋应力实测结果见表3 。混凝土弹模/ 104 M Pa模型编号混凝土标号配筋率/ ( %)初裂荷载/ kN开裂荷载/ kN极限荷载/ kN未出现未出现 未出现2800250026001234562923322220173 . 02 . 83 . 12 . 72 . 62 . 40 . 470 . 470 . 470 . 290 . 290 . 29160014001600130012001200220020002200160014001400 7 16 2 . 3 0 . 29 1100 1400 2400 图 3 混凝土强度与破坏荷载的关系图 4 承台底面柱间与中心处的拉应力验结果同样证明 :最大拉应力发生在承台中心处 ,桩间钢筋应力小于中心钢筋应力 。(2) 在塑性阶段 (混凝土开裂后) ,桩间钢筋应力 增长速度很快 ,将逐渐超越中心钢筋应力 。桩间处 钢筋率先出现屈服 ,钢筋应力急剧减弱 ,随之中心处 钢筋也出现了屈服现象 。(3) 破坏时的受力状态验证了英国和加拿大以 桁架为计算模型进行受力分析的原理 。(4) 加载初期承台模型底面中心钢筋应力与桩 间处混凝土应力随加载级别的增加保持同步增长 , 并且在混凝土的弹性阶段 (未开裂之前) 中心处钢筋 应力要大于桩间应力 。(5) 弹性阶段承台模型底面中心混凝土表面应表 2 模型 4 、5 试验值与计算值的比较位置承台中心承台桩间混凝土表面应力/ M Pa有限元计算应力试验应力 有限元计算应力试验应力2 . 192 . 1013 . 2611 . 031 . 4010 . 747 . 14钢筋应力/ M Pa表 3 实体结构钢筋应力实测值实测位置承台中心承台桩间钢筋应力值/ M Pa换算混凝土应力值/ M Pa19 . 062 . 5911 . 091 . 51计算和试验结果具有的相同规律 :(1) 对承台使用阶段钢筋的实测 、计算和模型试42探讨与分析岩土工程界 第 7 卷 第 5 期力与桩间处混凝土应力随荷载级别的增加呈同步增长 ,并且中心应力要大于桩间应力 。2 . 2混凝土内部混凝土应力分布规律 承台模型在平面内考虑布 5 组 ( A 、B 、C 、D 、E)试点位置 ,每组分五层布置受压测点 ,测得模型混凝土内部受压情况 。试验数据表明 ( 表 4) : 模型沿 深度在不同测点应力变化的规律 ,在此应力状态下测得承台内压应力分布成人字形 ,其混凝土内部荷 载传递路径近似于一个理想的桁架中的人字形压杆 ,由此进一步证明此承台模型条件 , 可以采用英国 、加拿大规范的桁架计算方法 。这与布筋 方 式 B 、C 、D 相 比 , 优 势 是 非 常 明 显的 ;同时与中心加强的布筋方式 D 相比 , 对中心处 受力 也 有 一 定 的 改 善 , 即 由 布 筋 方 式 A 的 2 . 37M Pa 降低到 2 . 08 M Pa ,而布筋方式 D 也只是 1 . 96M Pa 。经过比较 ,钢筋应力与底面混凝土应力分布规 律大体上是相同的 (图 6) 。但在承台混凝土工作的 弹性阶段 ,钢筋应力在能够满足其设计要求的前提 下 ,应考虑钢筋布置位置对混凝土应力的影响 。表 4 承台模型沿深度不同测点应力变化曲线/ 600 kN图 5 承台底面中线处节点应力曲线测点 A/ M Pa测点 C/ M Pa测点 E/ M Pa123450 . 250 . 61- 0 . 62- 1 . 30- 5 . 77- 9 . 29- 4 . 35- 2 . 28- 0 . 640 . 160 . 350 . 35- 0 . 34- 0 . 35- 6 . 26钢筋布置方式对混凝土应力及钢筋应力的影响 (弹性阶段)为了更好的了解钢筋布置方式对砼应力及钢筋 应力在弹性阶段的影响 ,探讨合理的布筋方式 ,以试 验模型 4 ( 砼标号 22 # , 混凝土轴心抗压强度 20 . 2M Pa 、混凝土弹性模量 2 . 7 104 M Pa) , 用 800 kN 加载级别下有限元计算结果来分析弹性阶段混凝土 受力情况 (表 5) 。通过五种布筋方式 (钢筋的数量 、 布置方式) ,讨论钢筋布置方式对承台底面混凝土及 钢筋应力的影响 。2 . 3图 6 钢筋应力曲线对比在承台混凝土工作的弹性阶段 ,在均匀配筋的基础上单独加强底面中心或者桩间的钢筋只对加强 部位的混凝土应力及钢筋应力有所改善 。由于承台 往往在其边缘处产生裂缝 ,在桩顶位置钢筋加强也 是必要的 ,这样既可以有效地 、大幅度地降低桩间和底面边缘的混凝土拉应力 ,同时对底面中心应力也 起到好的作用 。2 . 4不同设计方法确定的钢筋面积比较 在与实际工程荷载相对应的模型加载级别约为900 kN 的情况下 ,桁架法 、深梁法 、模型实验 、工程 实测 、有限元计算结果之间进行比较 (表 6) ,模型实验 、工程实测 、有限元计算结果值均小于桁架法计算 结果 27 % - 43 % ,而常用的深梁法却大出 40 % 。这 说明目前在此问题上的设计计算还有进一步优化的 余地 。表 6 不同设计方法确定的钢筋面积比较表 5不同布筋方式下承台底面的混凝土及钢筋应力底面中心砼应底面桩间砼应底面边缘砼应底面中心钢筋应力/ M Pa底面桩间钢筋应力/ M Pa布筋方式配筋情况力/ M Pa 力/ M Pa 力/ M Pa素 砼桩顶加密 均匀配筋 中心加强A B CD2 . 372 . 192 . 121 . 962 . 021 . 691 . 731 . 721 . 311 . 221 . 231 . 22/13 . 2612 . 6611 . 87/10 . 7411 . 0811 . 08 E 桩顶加强2 . 08 1 . 56 1 . 19 12 . 66 10 . 29 承台底面的混凝土应力的情况见图 5 。经过比较 ,布筋方式 E 的情况是在均匀配筋的基础上有意 识地加强桩顶区域的配筋 ,它有利于承台底面中心 与桩间混凝土应力的改善 ,又更有效控制了桩间应 力 。计算结果显示布筋方式 E ( 2 . 02 M Pa) 比布筋 方式 A 的 (1 . 56 M Pa) 承台底面的混凝土应力下降了 22 . 8 % 。项目桁架法 深梁法模型实验工程实测有限元计算设计钢筋面积/ cm2比值12 . 7817 . 947 . 327 . 799 . 28100 . 0 % 140 . 3 %57 . 3 %60 . 9 %72 . 6 %3结(1)论不同条件下 ( 尺寸 、剪跨比 、刚度 、配筋 、桩43VOL. 7 No . 5柱布置及荷载作用等) 的承台有不同的破坏模式 。合理的选择计算模型是承台合理配筋的关键 。在本 承台计算模型的小剪跨比且桩体位于冲切扩散体之内时的条件下 ,应以受弯破坏的特征作为分析依据 。(2) 考虑适当的布筋方式 ,对混凝土应力应力进 行调整 ,对于提高承台配筋设计的合理性 ,具有一定 的指导意义 。(3) 承台模型底面中心混凝土应力与桩间处混 凝土应力随加载级别的增加有同步增长的趋势 ,但中心应力要大于桩间应力 。(4) 在荷载作用下 ,裂缝首先出现的位置是发生 在承台底面桩间或桩间附近边缘处 。随着荷载的增 大 ,裂缝逐渐向中心扩展 ,最后贯通 。(5) 经过桁架法 、深梁法 、模型实验 、工程实测 、有限元等计算结果之间的比较也证明 : 目前确定承 台钢筋的设计计算方法还应进一步优化 。(6) 钢纤维的掺入增加了开裂前承台的抗拉性 能 ,提高了初裂荷载 。钢纤维还改善了承台开裂后 的延性 ,限制了裂缝的进一步发展 。正确确定承台的破坏模式并不是一件简单的事 情 ,因为影响因素多 ,情况复杂 ,还需进行大量的试 验和经验的积累 ,用以总结出不同条件下承台的真实受力状况和破坏模式 ,提高承台配筋设计的针对 性 、合理性 ,使承台设计方法充实和完善 。第一作者通讯地址 :北京市西城区车公庄中里乙 6 楼 101 室邮编 :100044(上接第 40 页)压 ,一般情况是先重后轻 ,重振密实基层下部 ,轻振 密实基层上部 。而且注意振动的方向 ,一般情况是前进方向振动 ,后退时静压 ,但要分上坡与下坡 ,不 能一概而论 。如果是已经起皮的基层 ,在面层施工 前必须彻底铲除表面薄层 ,防止其危害面层 。(7) 养生与交通管制 :养生的是否及时是影响水 泥灰土稳定砂基层强度的另一个关键因素 。在水泥终凝时间内 ,混合料中进行复杂的水化反应 ,生成大量水化物胶体填充混合料的孔隙 ,大大 提高混合料的密实性 ;同时发生结晶反应 ,形成网状 结构 ,提高基层的整体强度 。反应过程中水泥释放 出大量热能 ,需消耗大量水分