CN111563341A - 一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法，在建立模型时，在建立模型时，充分考虑嵌固式基础的倾斜角度对锚固深度的影响，并且由于考虑了土层和岩层对嵌固式基础的影响，相较于现有技术中仅按均匀岩层进行推算，且仅考虑弯矩对锚固深度的影响，本方法全面考虑了弯矩和剪力的作用，有效反映出拱座基础的受力情况，适用于复杂的地质情况，解决了嵌固式基础锚固合理深度的判定难题，方法科学可靠实用，确保了拱座基础的安全可靠，有利于提高桥梁结构安全性，为大跨度拱桥嵌固式基础的设计提供了方向。

Description

一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法。

背景技术

嵌固式基础是一种类似单桩插入岩层深处，同时承受轴力、弯矩和剪力的基础形式，按方向可分为竖向或斜向嵌固式基础。竖向嵌固式基础可用于梁式桥、斜拉桥及悬索桥等桥墩中，斜向嵌固式基础用于上承式拱桥主桥的拱座基础。

锚固深度指的是基础嵌入岩石的深度，是基础设计的一个关键指标，锚固深度过浅会造成基础作用失效，嵌固深度过深又会造成工程量增大，因此合理的锚固深度是嵌固式基础设计的一个关键技术问题。

现有技术中嵌固式基础的锚固深度通常参照规范中桩基础的锚固深度进行计算，仅考虑了弯矩对锚固深度的影响，对于剪力不大的竖向嵌固式基础而言是适用的，但对于斜向嵌固式基础而言，在主拱巨大竖向反力和水平推力下，拱座基础不光承受巨大的轴力和弯矩，还承受较大的剪力，若按现有技术进行计算，往往导致嵌固深度严重偏小，造成拱座基础作用失效，进而威胁全桥的结构安全，甚至会造成拱桥的倒塌。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺乏针对斜向嵌固式基础的锚固深度的合理设计方法的上述不足，提供一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法，包含如下步骤：

a、依据桥梁各构件的设计参数，建立钢桁拱桥有限元模型，有限元模型包括拱上墩、拱上梁、钢桁拱圈及三者之间的约束关系，求得嵌固式基础受拱脚底部内力，拱脚底部内力包括拱脚底部弯矩M_拱脚和拱脚底部剪力Q_拱脚；

b、考虑土层和岩层对嵌固式基础的影响，单独建立嵌固式基础的有限元模型，在嵌固式基础顶面施加拱脚底部内力，求得嵌固式基础的基础侧壁岩石压应力σ，其中，σ＝σ_M+σ_Q，σ_M表示嵌固式基础自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总弯矩M产生的基础侧壁岩石压应力，σ_Q表示嵌固式基础自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总剪力Q产生的基础侧壁岩石压应力；

c、若σ≤[σ]，则嵌固式基础的锚固深度满足要求，其中，[σ]表示基础侧壁岩石的容许压应力，若σ＞[σ]，则对嵌固式基础进行优化设计，然后重复步骤a-b，直至满足要求。

优选的，考虑土层和岩层对嵌固式基础的影响通过分别计算嵌固式基础的土层弹性支承刚度k_土和岩层弹性支承刚度k_岩来模拟，k_土＝C_土BZ_土，k_岩＝C_岩BZ_岩，其中，C_土＝my，m表示土层地基系数的比例系数，y表示嵌固式基础在土层中的深度，C_土表示垂直嵌固式基础侧面土层的水平地基系数，Z_土表示土层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距，C_岩表示岩层的地基系数，B表示嵌固式基础的宽度，Z_岩表示岩层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距。

进一步优选的，拱脚底部弯矩M_拱脚＝max{M_a，M_b}，其中，M_a＝M₁+M₂+M₃，M_b＝M₁+M₄，M₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部弯矩，M₂表示活载作用引起的拱脚底部弯矩，M₃表示附加力作用引起的拱脚底部弯矩，M₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部弯矩；拱脚底部剪力Q_拱脚＝max{Q_a，Q_b}，其中，Q_a＝Q₁+Q₂+Q₃，Q_b＝Q₁+Q₄，Q₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部剪力，Q₂表示活载作用引起的拱脚底部剪力，Q₃表示附加力作用引起的拱脚底部剪力，Q₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部剪力。

进一步优选的，钢桁拱桥的恒载包含成桥阶段钢桁拱桥的自重、二期恒载和基础变位。

进一步优选的，附加力包含温度应力、制动力和风力。

优选的，基础侧壁岩石的容许压应力[σ]＝CKR，其中，C表示安全系数，K表示岩层在水平方向的岩石容许压力换算系数，R表示岩石单轴抗压极限强度。

优选的，优化设计包含增加嵌固式基础的锚固深度、增加嵌固式基础的截面尺寸、调整嵌固式基础的倾斜角度以及减小钢桁拱桥的截面尺寸及荷载中的至少一项。

综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、采用本发明的一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法，在建立模型时，充分考虑嵌固式基础的倾斜角度对锚固深度的影响，并且由于考虑了土层和岩层对嵌固式基础的影响，相较于现有技术中仅按均匀岩层进行推算，且仅考虑弯矩对锚固深度的影响，本方法全面考虑了弯矩和剪力的作用，有效反映出拱座基础的受力情况，适用于复杂的地质情况，解决了嵌固式基础锚固合理深度的判定难题，方法科学可靠实用，确保了拱座基础的安全可靠，有利于提高桥梁结构安全性，为大跨度拱桥嵌固式基础的设计提供了方向。

附图说明

图1为本发明的一种上承式铁路钢桁拱桥的结构示意图：

图2为本发明的嵌固式基础的弹性支承模拟计算示意图。

图中标记：1-拱上墩，2-拱上梁，3-钢桁拱圈，4-嵌固式基础。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

如该钢桁拱桥主跨为490m的上承式铁路钢桁拱桥，如图1所示，钢桁拱圈3矢高109.5m，矢跨比1/4.475，其截面采用四片桁，共对称设置13个拱上墩1，拱上墩1采用门式钢墩，拱上梁2采用钢箱梁，主桥的拱座基础型式采用嵌固式基础4，横向左右分修，截面尺寸8m×24m，其中小里程的嵌固式基础4倾斜角度为35°，高度分别为60m和63m，设计锚固深度均为38.9m，大里程的嵌固式基础4倾斜角度为40°，高度分别为55m和60m，设计锚固深度均为30.2m，小里程岩层为泥灰岩夹压碎岩，大里程岩层为玄武岩夹软弱岩。

本发明的一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法，包含如下步骤：

a、依据桥梁各构件的设计参数，建立钢桁拱桥有限元模型，有限元模型包括拱上墩1、拱上梁2、钢桁拱圈3及三者之间的约束关系，求得嵌固式基础4受拱脚底部内力，拱脚底部内力包括拱脚底部弯矩M_拱脚和拱脚底部剪力Q_拱脚；

b、考虑土层和岩层对嵌固式基础4的影响，单独建立嵌固式基础4的有限元模型，在嵌固式基础4顶面施加拱脚底部内力，求得嵌固式基础4的基础侧壁岩石压应力σ，其中，σ＝σ_M+σ_Q，σ_M表示嵌固式基础4自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总弯矩M产生的基础侧壁岩石压应力，σ_Q表示嵌固式基础4自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总剪力Q产生的基础侧壁岩石压应力；

c、若σ≤[σ]，则嵌固式基础4的锚固深度满足要求，其中，[σ]表示基础侧壁岩石的容许压应力，若σ＞[σ]，则对嵌固式基础4进行优化设计，然后重复步骤a-b，直至满足要求。

具体的，根据桥梁各构件的设计参数建立钢桁拱桥有限元模型，设计参数包含如拱上墩1的容重γ、泊松比ν、弹性模量E、线膨胀系数α、长度L、面积A和截面惯性矩I；拱上梁2的容重γ、泊松比ν、弹性模量E、线膨胀系数α、长度L、面积A和截面惯性矩I；钢桁拱圈3的容重γ、泊松比ν、弹性模量E、线膨胀系数α、长度L、面积A和截面惯性矩I；有限元模型包括拱上墩1、拱上梁2、钢桁拱圈3及三者之间的约束关系，约束关系包括如钢桁拱圈3拱脚底部的边界条件、所述拱上墩1与钢桁拱圈3的连接关系、所述拱上墩1与拱上梁2的支座连接关系。然后计算得到嵌固式基础4受拱脚底部内力，拱脚底部内力包括拱脚底部弯矩M_拱脚和拱脚底部剪力Q_拱脚。具体的，拱脚底部弯矩M_拱脚＝max{M_a，M_b}，其中，M_a＝M₁+M₂+M₃，M_b＝M₁+M₄，M₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部弯矩，M₂表示活载作用引起的拱脚底部弯矩，M₃表示附加力作用引起的拱脚底部弯矩，M₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部弯矩；拱脚底部剪力Q_拱脚＝max{Q_a，Q_b}，其中，Q_a＝Q₁+Q₂+Q₃，Q_b＝Q₁+Q₄，Q₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部剪力，Q₂表示活载作用引起的拱脚底部剪力，Q₃表示附加力作用引起的拱脚底部剪力，Q₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部剪力。钢桁拱桥的恒载包含成桥阶段钢桁拱桥的自重、二期恒载和基础变位，二期恒载包括桥面铺装、道砟、轨道、人行道及栏杆，活载为列车活载，附加力包含温度应力、制动力和风力。

然后，考虑土层和岩层对嵌固式基础4的影响，单独建立嵌固式基础4的有限元模型，有效考虑了嵌固式基础4的倾斜角度对锚固深度的影响。如图2所示，考虑土层和岩层对嵌固式基础4的影响，根据地质分层情况，本实施例仅示例分两层的情况，通过在嵌固式基础4的有限元模型中，将其侧向土层、侧向岩层和底部岩层分别采用只受压弹性支承模拟，计算嵌固式基础4的土层弹性支承刚度k_土和岩层弹性支承刚度k_岩，k_土＝C_土BZ_土，k_岩＝C_岩BZ_岩，其中，C_土＝my，m表示土层地基系数的比例系数，可参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》表D.0.2-1来取值，y表示嵌固式基础4在土层中的深度，C_土表示垂直嵌固式基础4侧面土层的水平地基系数，Z_土表示土层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距，C_岩表示岩层的地基系数，由岩石的单轴抗压极限强度R确定，不随岩层面的埋深而变化，其值参照《铁路桥涵地基和基础设计规范》表D.0.2-2来取值，B表示嵌固式基础4基础宽度，Z_岩表示岩层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距。之后，在嵌固式基础4顶面施加拱脚底部内力，求得嵌固式基础4的基础侧壁岩石压应力σ，其中，σ＝σ_M+σ_Q，σ_M表示嵌固式基础4自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总弯矩M产生的基础侧壁岩石压应力，σ_Q表示嵌固式基础4自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总剪力Q产生的基础侧壁岩石压应力。嵌固式基础4的基础侧壁岩石压应力σ可根据每处弹性支承的约束反力F_i来计算，σ＝max{F_i/B/Z_岩}，其中，F_i＝F_iM+F_iQ，F_iM表示嵌固式基础4受自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总弯矩M产生的每处弹性支承的约束反力，F_iQ表示嵌固式基础4受自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总剪力Q产生的每处弹性支承的约束反力。

然后，比较σ与[σ]，[σ]表示基础侧壁岩石的容许压应力，[σ]＝CKR，其中，C表示安全系数，K表示岩层在水平方向的岩石容许压力换算系数，R表示岩石单轴抗压极限强度，C、K和R根据现行规范要求进行取值，如C通常为0.5，K通常为0.5-1.0，R分别根据小里程和大里程的对应的地质情况进行取值。若σ≤[σ]，则嵌固式基础4的锚固深度满足要求。

若σ＞[σ]，则对嵌固式基础4进行优化设计，优化设计包含如下中的至少一项：如增加嵌固式基础4的锚固深度；增加嵌固式基础4的截面尺寸；调整嵌固式基础4的倾斜角度；减小钢桁拱桥的截面尺寸及荷载。然后重复步骤a-b，直至σ满足要求。

本方法充分考虑嵌固式基础的倾斜角度对锚固深度的影响，并且由于考虑了土层和岩层对嵌固式基础的影响，相较于现有技术中仅按均匀岩层进行推算，且仅考虑弯矩对锚固深度的影响，本方法全面考虑了弯矩和剪力的作用，有效反映出拱座基础的受力情况，适用于复杂的地质情况，解决了嵌固式基础锚固合理深度的判定难题，方法科学可靠实用，确保了拱座基础的安全可靠，有利于提高桥梁结构安全性，为大跨度拱桥嵌固式基础的设计提供了方向。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种上承式拱桥拱座嵌固式基础锚固深度的评判方法，其特征在于，包含如下步骤：

a、依据桥梁各构件的设计参数，建立钢桁拱桥有限元模型，有限元模型包括拱上墩(1)、拱上梁(2)、钢桁拱圈(3)及三者之间的约束关系，求得嵌固式基础(4)受拱脚底部内力，拱脚底部内力包括拱脚底部弯矩M_拱脚和拱脚底部剪力Q_拱脚；

b、考虑土层和岩层对嵌固式基础(4)的影响，单独建立嵌固式基础(4)的有限元模型，在嵌固式基础(4)顶面施加拱脚底部内力，求得嵌固式基础(4)的基础侧壁岩石压应力σ，其中，σ＝σ_M+σ_Q，σ_M表示嵌固式基础(4)自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总弯矩M产生的基础侧壁岩石压应力，σ_Q表示嵌固式基础(4)自重、拱脚底部内力以及土层和岩层的影响共同引起的总剪力Q产生的基础侧壁岩石压应力；

c、若σ≤[σ]，则嵌固式基础(4)的锚固深度满足要求，其中，[σ]表示基础侧壁岩石的容许压应力，若σ＞[σ]，则对嵌固式基础(4)进行优化设计，然后重复步骤a-b，直至满足要求。

2.根据权利要求1的评判方法，其特征在于，考虑土层和岩层对嵌固式基础(4)的影响通过分别计算嵌固式基础(4)的土层弹性支承刚度k_土和岩层弹性支承刚度k_岩来模拟，k_土＝C_土BZ_土，k_岩＝C_岩BZ_岩，其中，C_土＝my，m表示土层地基系数的比例系数，y表示嵌固式基础(4)在土层中的深度，C_土表示垂直嵌固式基础(4)侧面土层的水平地基系数，Z_土表示土层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距，C_岩表示岩层的地基系数，B表示嵌固式基础(4)的宽度，Z_岩表示岩层中同侧相邻两个弹性支承的竖向间距。

3.根据权利要求1的评判方法，其特征在于，拱脚底部弯矩M_拱脚＝max{M_a，M_b}，其中，M_a＝M₁+M₂+M₃，M_b＝M₁+M₄，M₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部弯矩，M₂表示活载作用引起的拱脚底部弯矩，M₃表示附加力作用引起的拱脚底部弯矩，M₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部弯矩；拱脚底部剪力Q_拱脚＝max{Q_a，Q_b}，其中，Q_a＝Q₁+Q₂+Q₃，Q_b＝Q₁+Q₄，Q₁表示钢桁拱桥恒载作用引起的拱脚底部剪力，Q₂表示活载作用引起的拱脚底部剪力，Q₃表示附加力作用引起的拱脚底部剪力，Q₄表示地震荷载作用引起的拱脚底部剪力。

4.根据权利要求3的评判方法，其特征在于，钢桁拱桥的恒载包含成桥阶段钢桁拱桥的自重、二期恒载和基础变位。

5.根据权利要求3的评判方法，其特征在于，附加力包含温度应力、制动力和风力。

6.根据权利要求1-5任一的评判方法，其特征在于，设计参数包括拱上墩(1)、拱上梁(2)、钢桁拱圈(3)及嵌固式基础(4)各自的容重γ、泊松比ν、弹性模量E、线膨胀系数α、长度L、面积A和截面惯性矩I。

7.根据权利要求1-5任一的评判方法，其特征在于，基础侧壁岩石的容许压应力[σ]＝CKR，其中，C表示安全系数，K表示岩层在水平方向的岩石容许压力换算系数，R表示岩石单轴抗压极限强度。

8.根据权利要求1-5任一的评判方法，其特征在于，优化设计包含增加嵌固式基础(4)的锚固深度、增加嵌固式基础(4)的截面尺寸、调整嵌固式基础(4)的倾斜角度以及减小钢桁拱桥的截面尺寸及荷载中的至少一项。

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