钢筋混凝土桩式地锚构造及计算理论

钢筋混凝土桩式地锚构造及计算理论郝宪武周谦郭梅摘要：对缆索吊装架桥设备中地锚的受力、施工等方面进行了分析。针对吊重较大，索力倾角偏大，在一定的土体地质条件下，提出桩式钢筋混凝土地锚的结构形式及设计计算方法。关键词：钢筋混凝土；桩式；地锚中图分类号：U443.24文献标识码：ADesign and Calculation of the Reinforced Concrete Piles-supported Ground AnchorHAO Xian-wu1, ZHOU Qian2， GUO Mei1（1.College of Highway Engineering, Xian Highway University, Xian ；2.Highway Management Department of Liaoning Province, Shenyang )Abstract: This paper analyzed the force and construction of the ground anchor of suspension cable crane equitment used for building bridge. A type of structure and theory calculation method of the anchor is presented on the condition of heavy load sharp angle of the cable force and ground.Key words: reinforced concrete; piles-supported; ground anchor缆索架桥设备由于具有跨越能力大，水平和垂直运输机动灵活、适应性广、施工也比较稳妥方便等优点，因而在修建公路拱桥时较多采用这种施工方法。缆索地锚是用于锚固各种主索、缆风、起重索、绞车及卷扬机等重要部件。地锚的可靠性对缆索吊装的安全性具有决定作用。近年来随着中国经济建设的需要，各种大跨度拱桥的建设，要求起吊的重量相应增大，使缆索地锚承受荷载相应提高。尤其在地理位置受到限制时，索力倾角相应增大，使常规的地锚(立式或卧式)1均不能满足其受力和使用的要求。本文通过结构受力、施工等方面分析，提出新型地锚结构形式，即桩式钢筋混凝土地锚，并给出其设计计算理论，供有关设计人员参考。1钢筋混凝土桩式地锚的构造型式众所周知，地锚承受通过塔架的各种索力，如图1所示。其索力可分解为垂直竖向上拔力和水平拉力。当索力较小时，可采用图1所示立式地锚来承受。这种地锚受力明确，构造简单，主索安装调整方便。但竖向上拔力主要依靠立柱与横挡的摩阻力抵抗，且上横挡反力较大，当土质较差时，可增大横挡尺寸、整体受力分布不均匀，没有充分利用土体与柱的摩阻作用，横挡的自重不参与平衡上拔力。从而增大了工程材料用量，施工开挖量较大，增大了施工费用。图1立式地锚构造及受力图式卧式地锚构造和受力图式如图2所示。该种地锚的索的垂直分力由地垅上覆土体有效土重、地垅自重和地垅与挡板间的摩阻力来平衡，抗拔能力较立式地锚好。当地形受限时，锚索的水平倾角增大。为避免索的垂直分力引起较大的土体固结变位，要求回填土夯实。水平分力由坑壁土体的侧向抗压承载力抵抗。当土质较差时需增大挡板面积，挡板重力不参与抵抗上拔力。当索力较大时，需增大开挖量。施工过程中，工序复杂，调索困难。增大了工程费用。图2卧式地锚构造及受力图式钢筋混凝土桩式地锚，是为分析上述两种地锚的特点而提出的。索的垂直分力主要由自重及挖孔灌注桩与土体间的摩阻力平衡。索的水平分力由桩与横梁上作用的土体侧向抗力平衡。水平分力的作用产生的偏转力矩，由横梁的抗扭力矩和桩侧部分抗力与横梁侧抗力组成的力矩平衡。横梁上设置羊角用于锚固各种索绳，便于索力调整。其构造形式如图3所示。图3钢筋混凝土桩式地锚构造2钢筋混凝土桩式地锚设计计算理论钢筋混凝土桩式地锚受力图式如图3所示。地锚作用的索力T可分解为垂直力T2和水平力T1。2.1垂直力抗力的计算及验算当受索的垂直分力T2作用时，地锚上作用有拔力，从而地锚与土体之间产生摩阻力，合力用F表示，同时地锚自重也可平衡一部分上拔力，受力图式如图4所示。则抵抗力的计算公式为(1)图4垂直分力作用时地锚的受力图式式中：V为地锚抗拔力；n为桩数量；f1、f2分别为桩、横梁与土体之间的摩阻系数2；r为钢筋混凝土的容重；B、h、b分别为横梁的长、宽、高；d、d1分别为桩经和羊角直径；H为地锚自面至桩底高度；B、l1为羊角高度。因而垂直力验算公式可表示为K=V/T2(2)式中：K为安全系数(取K=2)；T2为索的垂直分力。2.2水平抗力的计算及验算通常地锚基桩埋深较浅，当水平力作用时，桩柱与地基土的刚度比较大，可按刚性桩计算。即水平力作用时，桩柱轴线绕某点A偏转角，其变形图式如图5(a)所示。这时沿竖向任一点z处的水平位移为图5水平分力作用时地锚受力图式x=(z0-z)tg(3)则桩侧土应力为(4)式中：cZ、cH分别为相应深度z和H处桩侧面土的地基系数。桩底由轴线偏转角时，基底应力0=c00，由于基底桩截面惯矩较横梁惯矩小略去不计，这里仅考虑横底由轴线偏转时的基底应力,即(5)式中：ch为横梁底土的地基系数；b为横梁底的宽度；1为横梁边缘偏转位移。由以上分析，根据力的平衡条件可得(6)(7)式中：b1为桩基计算宽度；W为横梁底面抵抗惯矩；其它符号意义同前。联立式(6)和式(7)可求得(8)(9)式中：为基底处侧面土的地基系与横梁底面土地基系数之比。2.3地基应力验算(10)(11)式中：z为桩侧土体的允许应力3；为横梁底面土体允许应力 。2.4基桩的最大弯矩计算(12)由，可求得最大弯矩所对应的z1值，即(13)则(14)由此，可按规范计算基桩的配筋。2.5横梁内力计算横梁可按具体结构形式，可简化成土压力作用下的悬臂梁或连续梁进行内力计算，在此不再赘述。3结语本文仅对钢筋混凝土桩式地锚的构造形式及受力状况作出分析。限于目前尚未见到这种变截面(或考虑横梁)刚性桩基础的计算理论，故系统地推导了设计计算公式及验算、配筋的计算方法。虽然计算公式较为繁难，但对于这种地锚而言横梁抗力是不可忽略的。通过前述分析，这种新型地锚与立式地锚相比较，吸收其易调索的优点，改善了立式地锚受力不均匀的不足，较大地发挥了地锚的抗拔力及抗水平推力，且开挖量较小，施工简便。而与卧式地锚相比较，该地锚较其调索容易，开挖工程量更小，且无需设置挡板及盖板等构造，受力较卧式地锚合理，尤其地形受限时，不会受埋深而改变索力的倾角。由此可见，本文所提出的地锚结构与常用地锚相比具有下述特点：(1)受力合理，施工方便；(2)综合工程造价较低(限于篇幅不能对此进行实例经济比较)，但由上述分析可见，降低工程造价是毫无疑问的；(3)与前述两种地锚相比，设计计算工作量较大，计算难度也大些。但对计算机普及的今天，不会造成多大的