铁路桩盖板桥涵构造设计与计算分析探讨

2015-01-09卢绪庆

城市道桥与防洪 2015年4期

卢绪庆

（铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津市 300142）

1 概述

桩盖板桥涵，顾名思义，指的是桩基+盖板的跨越结构，跨径大时为桥，跨径小时为涵，常用于铁路或公路跨越不可迁改的地下管线（自来水管、石油、天燃气管线等）、地下结构物（暗涵、地铁、建筑物基础等）及小河流等，有时也应用于既有桥涵接长结构，见图1。相比于桥梁跨越以上结构，桩盖板结构具有对线路填高要求低、结构简单经济的优点；相比于常用的框架涵、盖板涵，桩盖板结构具有不迁改管线、基础承载力高、施工方便的优点。因此，桩盖板桥涵结构在铁路、公路建设中得到了广泛应用。本文系根据工作中已设计的几座桩盖板桥涵结构，对桩盖板结构的设计思路进行总结与讨论。

图1 典型桩盖板桥涵断面

2 桩盖板结构构造设计

桩盖板主要有盖板、条形承台梁、桩基及附属结构四部分组成。

2.1 盖板构造设计

2.1.1 板的布设

当桩盖板涵轴线与线路中线正交时，盖板一般采用如图2(a)所示的正交正做布设方式，当轴线与中线斜交时按进出口形式有两种布设方式，一种斜交正做（见图2(b)），一种为斜交斜做，其中，斜交斜做又分为两种布设方式，第一种为按平行于中线方向布设斜交板（见图2(c)），第二种为涵身布设正交板，两端进出口布设梯形板（见图2(d)）。

图2 盖板布设方式

斜交正做的优点在于现场施工方便，出入口便于施做检查井，缺点在于浪费了一些涵长及材料，外形也不美观，适用于接长斜交正做的既有桥涵、涵洞两侧设置检查井及预留增二线条件等的情况；斜交斜做外形美观，与路基边坡衔接自然，节省材料，适用于接长斜交斜做既有桥涵或者对洞口有空间、外观要求的桥涵。斜交斜做两种布设方式中，在采用相同板长和相同斜度的条件下，第二种布设方式可增大涵洞的净宽，同时，该布设方式适应性强，便于现场预制施工，因此是目前铁、公路斜交涵通用图所通常采用的布设形式。具体工程设计中盖板采用何种布设方式，应根据设计惯例及现场条件综合确定。

2.1.2 板宽

对于跨中矩形盖板，当跨径较小时（不大于6 m），宽度一般为1 m，盖板设计可以直接套用现有的盖板涵通用图。当需加宽时，板宽可按0.5 m的倍数增加，盖板施工时一般采用预制吊装；当工点盖板跨度较大时（6～20 m），板上列车活载增大，为增强盖板的整体性，改善盖板受力，应适当加大盖板横桥向宽度，施工时可以采用原位支架浇筑，亦可预制吊装，当采用预制吊装时，盖板宽度应考虑现场起吊及运输能力。

当两端洞口采用梯形盖板时，梯形板宽以短支撑边长度控制，短支撑边长度一般应根据涵长在矩形板排列后的余数控制在50～90 cm之间，长支撑边则根据板的跨度及斜度计算得出。当涵洞跨径较大，且交角亦较大时，应适当加大短支撑边长度，以不使短边钢筋布置过密。

2.1.3 板高

对于其上承受铁路荷载的盖板，板端高度一般可取计算跨径的0.1～0.15倍，板顶坡度取2%～4%，同时为避免因施工不完善而产生的弱点影响板的强度，最小板厚不得小于15 cm。具体工点的板厚可以根据板上的填土厚、列车活载、跨径等计算确定。

2.2 条形承台梁构造设计[1-2]

承台梁的作用就是将桩群连接成一个整体，将上部盖板传来的各种荷载外力，较均匀的分配给桩群。同时，承台梁还起着挡土的作用。

2.2.1 承台梁外形

根据上部结构的类型及布桩要求，承台梁一般采用单排桩条形布置，特殊情况下，比如跨径较大、连续多孔时，可以考虑采用双排桩或多排桩布置。

2.2.2 尺寸要求

承台梁厚度一般不宜小于1.5 m，承台梁边缘至桩边的净距，宜按文献[1]6.3.2条执行，当管道对两侧承台之间的净宽有要求，在不增加盖板跨度的情况下，可根据桩与承台板的连接构造及桩的受力大小适当减小承台边缘至桩边的净距，但最小净距不宜小于15 cm。

2.2.3 承台梁断面

承台梁断面一般设计成阶梯状，由背墙、垫石及承台梁三部分组成，垫石中心与桩基中心一致，垫石顺线路宽度一般取50 cm，厚度不小于20 cm。这种阶梯状承台梁的设计（见图3(a)）相比L形承台梁设计（见图3(b)、图3(c)），可使盖板传下来的竖向压力与桩基中心重合，消除偏心，降低桩基顶部的弯矩，同时也降低了盖板端部加载时因支承面进深过长而产生的负弯矩值。

2.3 桩基构造设计

2.3.1 桩基类型与桩径

根据工点地质情况及施工机械，基础可采用钻（挖）孔灌注桩、打入桩等桩型，桩径一般不小于0.8 m。

图3 承台梁断面布置图

2.3.2 桩间距

宜按照文献[1]6.3.2条执行。桩间距过小，会导致相同涵长内的桩数增多，增加工程费用，且单桩承载力利用率降低；桩间距过大，又会造成桩顶上的盖梁跨径过大，单桩承载力过大，沉降难以控制；因此，桩间距需要综合平衡考虑。

2.3.3 基桩与承台梁的联结

桩基与承台梁的联结一般有将桩顶直接埋入承台梁中和将桩顶主筋伸入承台梁内两种方式，后者较为常用。具体构造要求详见文献[1]6.3.6条。

2.3.4 桩的配筋

摩擦桩可按桩身内力要求分段配筋，柱桩主筋应通长设置到桩底；桩基截面配筋率不应小于0.5%；主筋直径、最小净距需满足规范要求。

2.4 附属设施构造设计

2.4.1 挡土设施

为防止路基填料漏入桩盖板桥涵内，设计时可采用在桩基外侧设置混凝土挡板、桩基内侧设置挡板+锚杆、桥涵内设U形挡槽等方式；

2.4.2 出入口

根据管道的埋深及日常维修需求情况，涵洞出入口可采取设置检查井+涵内设U形混凝土挡槽、洞口设堵头墙+涵内埋沙回填等措施。

2.4.3 防水措施

为防止地表雨水或地下水从盖板缝、盖板端与承台之间缝隙以及承台间伸缩缝渗入侵蚀破坏盖板及承台垫块，各缝间需填塞防水材料，盖板上、背墙顶及外侧面都需进行防水处理。

3 桩盖板结构计算分析

3.1 盖板计算分析

盖板可按两端简支的单向板进行计算分析，对于跨度较小的板，可取荷载作用范围内的单位板宽，按简支梁计算。对于跨度较大，宽跨比较大、整体性强的盖板以及斜度大于15°的斜盖板，可采用有限元法、格子梁理论等进行精确分析计算。

3.1.1 板的计算跨径

采取支撑面中心间的距离或者板的净跨加上跨中板厚这两个数值中较小的值计算弯矩效应，采取净跨径为计算跨径计算剪力效应。

3.1.2 板上荷载

恒载包括盖板自重、轨道结构及填土竖向压力；活载包括列车竖向静活载、列车竖向动力作用、离心力、横向摇摆力；附加力包括制动力、风力、温度力等，特殊荷载有临时施工荷载等。

3.1.3 板的控制指标

竖向静活载作用下的竖向挠度值、水平挠度、竖向自振频率、梁端转角等，具体指标应满足相应等级铁路桥涵规范的要求。

3.1.4 结构配筋

根据计算得到的跨中弯矩、板端负弯矩、支点剪力等数据对板进行截面尺寸及配筋设计。

3.2 条形承台梁计算分析

3.2.1 荷载分析

作用在承台梁上的力有盖板端部作用于承台垫块处的恒活载竖向压力、横向水平力、承台背墙顶受到的恒活载压力及承台背墙侧受到的土压力以及桩基竖向反力。

3.2.2 承台梁计算图式

（1）双悬臂简支梁（连续梁）模型

当承台梁与柱的线刚度（EI/l）之比大于5时，为简化计算可以忽略节点不平衡弯矩的分配及传递，双桩承台梁可按简支梁计算，多桩承台梁可按连续梁计算。

（2）双悬臂刚构模型

由于桩基的钢筋深入到承台梁内，与承台梁的钢筋绑扎成整体，承台梁与桩基呈刚架结构，可按刚构计算，基础在桩基第一弹性零点切断并固接。

（3）整体计算图式

连续梁模型忽略了桩基对承台梁的嵌固约束作用，刚构模型未考虑桩基在桩侧土体弹性约束下的转角及变形。因此，当承台梁受到三向荷载作用时，可以考虑采用整体计算图式，建立承台梁-桩基-土体的三维有限元模型来对承台梁进行分析。

3.2.3 受力分析

当跨高比l/h＞5.0时，可按钢筋混凝土一般构件计算，当l/h≤5.0时，按深受弯构件计算。承台梁受力分析时一般选取跨中及桩基两侧处承台截面进行检算。铁路桥涵规范容许应力法检算内容包括控制截面混凝土最大压应力、钢筋最大拉应力、剪应力及裂缝检算。

3.3桩基计算分析

桩基计算时一般先把上部结构荷载换算为群桩顶中心处集中力：竖向力N、水平力H、弯矩M，然后将其分配给单桩，再对单桩进行轴向及横向受力分析。桩承受的轴向力主要决定桩的入土深度（对摩擦桩）和桩身受压强度；承受的横向力及弯矩则用来确定桩身的弯压强度及配筋。

3.3.1 单桩桩顶内力计算[3]

（1）简化公式法

假定盖梁为刚性，桩顶单桩竖向设计值Nid、水平力Hid和弯矩Mid按桩平均分配，按下列公式计算：

公式中参数意义详见文献[3]8.5.1条。本公式为单桩竖向力设置值计算简化公式，未考虑承台及桩周土的弹性支承作用。

（2）地基系数法[4]

桩基单、多排桩与承台在验算截面内构成一个超静定框架结构，可以通过位移法求解各桩的外作用力分配，计算步骤如下：先求出各桩的单桩刚度系数ρ，进而求得群桩基础的整体刚度系数γ，然后利用位移法建立平衡方程，求出承台板的竖向位移的位移a、水平位移b和绕中心点的转角β，进而求得各桩桩顶的轴向力、剪力及弯矩。例如，当桩基础中全部为竖直桩且对称时，桩顶内力可按下式计算：

上式中各参数含义详见文献[4]式6-47，在此不再详列。

3.3.2 单桩桩身横向内力计算

桩的横向受力分析的内容为考虑桩侧土的横向抗力，计算桩基在桩顶横向外力（弯矩与剪力）作用下的桩身位移与内力。桩的分析理论有多种，目前我国各类桥涵设计规范均推荐采用“m”法计算桩基内力。“m”法计算桩身内力的步骤如下：根据已求得的桩顶内力Mo、Qo，采用力法推求得桩顶的水平位移x0及转角φ0，再根据弹性力学中的挠曲线变形方程，计算得出桩身任意深度y处的位移 xy、转角 φy、弯矩 My、剪力 Qy。

3.3.3 桩长、配筋面积计算

求出桩顶轴向力后，就可以利用文献[1]6.2.2的轴向承载力公式确定桩长（摩擦桩）及桩身受压强度（柱桩）。根据计算得到的桩身最大弯矩及轴力值，按圆形偏心受压构件进行配筋设计。

4 桩盖板结构有限元仿真分析[5-7]

4.1 盖板的有限元分析

当板宽度较小，可取单位板宽对其分析，此时可按简支梁单元模拟分析。对于宽板及斜板，可按简支板单元模拟分析。

4.2 承台梁与桩基的有限元模拟

采用有限元建模可以较准确的考虑承台梁刚度对桩顶外力的分配影响，还可以模拟桩基与周围土体的协调变形分析。承台梁可以采用梁单元或实体单元模拟，桩基采用梁单元模拟，桩周土和桩底土对桩基的约束作用可采用弹簧单元模拟，将各土层对桩体的约束转化为桩体受到的弹簧边界元，土对桩的横向水平力利用系列水平弹簧模拟，桩底支承反力及桩周摩阻力利用竖向弹簧单元模拟。各弹簧系数K所采用的计算公式如下：

（1）桩身各单元水平弹簧弹性系数：

式中：mn为各层土的地基系数的比例系数；zn为各段埋深，取该土弹簧位置到地面线（或局部冲刷线）的距离；b0为基桩的计算宽度；hn为zn深度处土层的厚度，可取土弹簧相邻桩身两单元长度之和的1/2。

（2）若桩基为柱桩，桩底节点可按固接处理；若为钻（挖）孔灌注桩，则根据文献[1]桩基容许承载力公式可得桩身各段及桩底的竖向弹簧弹性系数：

a.桩身各段单元竖向弹簧弹性系数

b.桩底竖向弹簧弹性系数

式（2）、式（3）中：△为桩侧摩阻力达到极限值是桩身产生的竖向位移，一般取6 mm；其余参数详见文献[1]6.2.2-2规定。

5 工程实例

某新建单线Ⅰ级铁路，路基施工过程中发现的地下埋有2条不可迁改的自来水管及燃气管（见图4）。铁路设计活载为中活载；桥址处地层为粉土、粉质粘土及中砂；盖板上方填土高1.2 m。

为跨过上述2条管线，设计采用1～9.5 m桩盖板小桥跨越。盖板分3块布置，正交正做，盖板总长10 m，计算跨度9.5 m，最大板宽5.54 m，跨中板厚0.9 m，端部板厚0.8 m；承台梁截面设计为阶梯状，承台横长16 m，纵宽2 m，厚度为1.6 m；每侧承台下方设置6根Φ1 m摩擦桩，桩间距2.8 m，桩长28 m，桩身配筋长度15 m。