高墩桥梁桩基础计算长度研究

高墩桥梁桩基础计算长度研究

唐雷

湖南尚上公路桥梁建设有限公司湖南长沙410003

摘要：高墩是我国桥梁高墩设计的主要方式，具有受力性好、刚度大且经济性高的优点，在我国道路桥梁设计中的应用越来越广。桥梁高墩稳定性设计需要依据相关设计为依据，在结合实际情况简化计算，就能得出科学的高墩尺寸、材料设计，达到安全、耐用、舒适、经济的要求。同时还应该完善施工操作，用科学的设计和施工保证桥梁高墩的安全稳定。

关键词：高墩桥桩基计算研究

1实际边界条件对墩桩的约束

1.1支座的约束作用

计算表明,对于采用摩擦桩为基础的柱式墩来说,由于桩长较长,且周围介质对桩基的约束不像端承桩那样强,桥墩墩顶抗推刚度相对来说是较小的,对于桥梁工程中较多采用的滑动支座来说,可偏安全地认为墩顶是自由的。

1.2桩周土层的约束作用

把地基土分为两类来考虑地基土对桩基的约束作用:一类是岩石类地基且上覆土层较薄;另一类是非岩石类地基。对于第一类地基,经常采用端承桩作为基础,桩基的刚度相对于桥墩的刚度来讲一般较大,侧向土抗力较大,桩顶侧向位移很小。很显然,桩底的这种约束简化为固结的理想边界条件不会引起太大的误差。对于第二类地基土,一般采用摩擦桩作为基础,桩的埋入深度较大,侧向地基土抗力小,在横向荷载作用下,桩顶将产生相对较大的侧向位移,此时桩对墩底的嵌固作用已经很小,桩顶与墩底协同变形。因此,在第二类地基土情况下,要研究墩、桩的力学性能需考虑三个因素:墩的高度、桩基的埋深、地基土的抗力系数。本文仅讨论基础为摩擦桩的桥梁墩桩的计算长度。

2计算模型及理论基础

在轴心受压杆件的弹性屈曲分析中,根据欧拉公式,其临界力公式为:

式中:Pcr为压杆屈曲时的临界力;EI为墩桩的抗弯刚度;lj为压杆屈曲时挠曲线上2个弯矩零点(即反弯点)之间的距离,即计算长度;l为墩、桩的实际长度;μ为计算长度系数。通过对桩进行第一类稳定分析就可以确定其计算长度。对于桩基周围土层的影响,可通过土弹簧来模拟,由Winkler地基假设,按m法确定土层的抗力系数。土弹簧刚度k可表示为:k=mb(hp-x)(3)式中:m为地基土比例系数;b为桩的等效宽度;hp为桩的埋深。计算模型如图1所示。

3桩的计算长度的确定

根据式(2)、式(3)可以判断,桩的计算长度与桩屈曲时的临界力Pcr、埋深hp、墩高hd、土层抗力系数及墩、桩的抗弯刚度EI有关,而在工程实际中,墩桩的EI相差不大,为了简化计算,认为墩、桩的抗弯刚度相同。通过通用有限元程序ANSYS建立了桩基弹性屈曲分析的模型,讨论了不同桩径d、桩埋深hp、桩基周围土层比例系数m对桩计算长度的影响,计算结果如图2～图7所示。

从图2～图7可以看出,随着桩径的增加,桩的计算长度增加;随着桩基周围土层抗力系数的增加桩的计算长度减小;当桩基埋深小于30m时,随着

埋深的增加,计算长度增加,并且增加速度较快。当桩基埋深大于30m时,随着埋深的增加,计算长度基本保持不变。在实际的桥梁工程中,当采用摩擦桩作为基础时,桩长较长,埋深一般都大于30m,因此,基于前面所得到的结论,在考虑墩高影响,确定摩擦桩的计算长度时,可以认为桩的等代长度为30m。此时,摩擦桩的计算长度可以表示为:

式中:lj为桩的计算长度;μ为计算长度系数;hd为墩高。根据式(4)、式(5)给出了不同桩径、墩高、土层抗力系数下桩的计算长度系数。计算结果见表1～表4。

从表1～表4可以看出,在考虑了墩高的影响后,随着桩径的增加,桩的计算长度系数增大;而当桩径一定,随着土层抗力系数的增加,桩的计算长度系数增大,但是增大幅度很小,并且随着墩高的增加幅度越来越小;桩的计算长度系数受墩高的影响较大,随着墩高的增加,桩的计算长度系数增大,但是随着墩高达到一定高度后,桩的计算长度的增大幅度有所减缓。基于上述结论,为了方便工程实际中桩的计算长度系数的查取使用,忽略土层抗力系数的影响,给出了不同桩径、墩高下摩擦桩的计算长度系数,可以根据桩径和墩高很快地查到桩的计算长度系数。

4结论

在桥梁工程中,墩、桩的计算长度问题一直是工程界没有定论的问题。以m法为基础,将桩的稳定分析与计算长度联系起来。通过欧拉公式,分析了桩径、埋深、土层抗力系数和墩高对摩擦桩计算长度的影响。结果表明，随着桩径、墩高的增加,摩擦桩计算长度增加；土层抗力系数对计算长度影响较小。最后给出了便于工程应用的摩擦桩计算长度系数表格。在工程实践中，在不同的地质条件下，往往都可以通过理论计算、荷载试验来对设计桩长进行优化，这对节约造价、增强桩基础可靠性等均有益处。

参考文献：

[1]张哲,李文武,叶毅.高墩桥梁桩基础计算长度研究[J].公路,2011(6):62-66.

[2]高小妮,贺拴海,齐宏学.考虑桩基柔度的多跨梁桥高墩计算长度系数分析[J].武汉理工大学学报,2011(7):88-93.