CN113010839B - 一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，包括以下步骤：以基础为中心，计算桩基坐标和承台底柔度；以桥墩为中心，换算承台底柔度，作为边界约束条件，计算桥墩地震力，换算到承台底；以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并进行荷载组合；以基础为中心，换算承台底外力；根据承台底外力计算桩基，得到墩顶位移和总刚度；以桥墩为中心，换算墩顶位移和总刚度。本发明能够针对交通运输领域的桥墩与基础带扭角的桩基进行计算，该方法避免了单纯的以桥墩为中心还是以基础为中心计算桩基带来的误差，通过三次坐标变换准确计算出承台底外力和墩顶位移，解决了桩基的计算问题，考虑了基础扭角对整体刚度的影响。
Description
技术领域
本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法。
背景技术
在桥墩桩基计算中，为避开既有线或其他重要构筑物的限界，需要把基础扭转一个角度，针对这个计算问题常规方法有两种。方法一，以桥墩为中心换算桩基坐标，这种方法没有考虑到基础刚度具有方向性，扭转其他角度以后桩基影响系数无法求解的问题；方法二，以基础为中心换算承台底外力，这种方法没有考虑基础和桥墩的位移和刚度方向发生的偏差，在计算桥墩地震力、墩顶位移和总刚度会产生影响。
针对上述地震作用下桥墩桩基计算中存在的实际问题，亟需一种思路清晰操作简便的方法来解决桥墩与基础带扭角的计算问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法。
本发明的技术方案是：一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，包括以下步骤：
A.以基础为中心，计算桩基坐标和承台底柔度
以基础为中心即以群桩中心为原点，承台宽度方向为x轴，承台长度方向为y轴的坐标系，进而计算桩基坐标、承台底x轴方向柔度γx、承台底y轴方向柔度γy；
B.以桥墩为中心，换算承台底柔度，作为边界约束条件，计算桥墩地震力，换算到承台底
以桥墩为中心即以桥墩中心为原点，线路方向为x轴，垂直线路方向为y轴的坐标系，进而换算承台底x轴方向柔度γ’x和y轴方向柔度γ’y，作为墩底的边界约束条件，采用反应谱法求解桥墩的地震力；
C.以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并进行荷载组合
以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并与地震力一起进行荷载组合，得到承台底x轴方向外力F’x和y轴方向外力F’y；
D.以基础为中心，换算承台底外力
以基础为中心，计算承台底x轴方向外力Fx和y轴方向外力Fy；
E.根据承台底外力计算桩基，得到墩顶位移和总刚度
以基础为中心，计算墩顶x轴方向位移Sx和y轴方向位移Sy、x轴方向总刚度Bx和y轴方向总刚度By；
F.以桥墩为中心，换算墩顶位移和总刚度
以桥墩为中心，计算墩顶x轴方向位移S’x和y轴方向位移S’y、x轴方向总刚度B’x和y轴方向总刚度B’y。
更进一步的，步骤A中承台底柔度必须以基础为中心计算，其中影响承台底柔度的桩基影响系数k受群桩的排列影响较大，如矩形和梅花形布置，其布置是按照基础方向来排布的，见公式(1)，其他方向该值计算无意义，
其中，h0为桩埋入土层以下深度，L0为两桩之间的净距，C为桩的列数：当n＝1时，C＝1.0；当n＝2时，C＝0.6；当n＝3时，C＝0.5；当n≥4时，C＝0.45。
更进一步的，步骤B中以桥墩为中心，换算的承台底柔度其公式如下：
γ′x＝γxcos2θ+γysin2θ (2)
γ′y＝γxsin2θ+γycos2θ (3)
其中，θ是桥墩与基础的扭角。
更进一步的，步骤C中桥墩受到的其他力，如梁端支反力、长钢轨力、摇摆力等都是以桥墩为中心计算的，计算完后分解到基础方向再与地震力一起进行荷载组合。
更进一步的，步骤D中以基础为中心，换算的承台底外力，其公式如下：
Fx＝F′xcosθ-F′ysinθ (4)
Fy＝F′xsinθ+F′ycosθ (5)。
更进一步的，步骤F中以桥墩为中心，换算的墩顶位移和总刚度其公式如下：
S′x＝Sxcosθ+Sysinθ (6)
S′y＝Sycosθ-Sxsinθ (7)
本发明的有益效果如下：
本发明的针对桥墩和基础带扭角的桩基，认为桥墩和基础只有在各自的坐标系下计算的指标才有意义，因此设计了坐标转换的计算方法，通过三次坐标转化准确计算了该类型的桩基。首先，以基础为中心，计算基础刚度，转化到桥墩中心，然后，以桥墩为中心，计算桥墩地震力和其他外力，转化到基础中心，最后，以基础为中心，进行基础计算，把墩顶位移和总刚度转化到桥墩中心。
本发明能够针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等不同类型的桥墩桩基计算，能够正确考虑桥墩和基础的扭角，该方法不仅解决了桩基的计算问题，而且考虑了基础扭角对整体刚度的影响。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明中桥墩的示意图；
图3是本发明中实施例一的参数示意图；
图4是本发明中实施例一的结构示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～4所示，一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，包括以下步骤：
A.以基础为中心，计算桩基坐标和承台底柔度
以基础为中心即以群桩中心为原点，承台宽度方向为x轴，承台长度方向为y轴的坐标系，进而计算桩基坐标、承台底x轴方向柔度γx、承台底y轴方向柔度γy；
B.以桥墩为中心，换算承台底柔度，作为边界约束条件，计算桥墩地震力，换算到承台底
以桥墩为中心即以桥墩中心为原点，线路方向为x轴，垂直线路方向为y轴的坐标系，进而换算承台底x轴方向柔度γ’x和y轴方向柔度γ’y，作为墩底的边界约束条件，采用反应谱法求解桥墩的地震力；
C.以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并进行荷载组合
以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并与地震力一起进行荷载组合，得到承台底x轴方向外力F’x和y轴方向外力F’y；
D.以基础为中心，换算承台底外力
以基础为中心，计算承台底x轴方向外力Fx和y轴方向外力Fy；
E.根据承台底外力计算桩基，得到墩顶位移和总刚度
以基础为中心，计算墩顶x轴方向位移Sx和y轴方向位移Sy、x轴方向总刚度Bx和y轴方向总刚度By；
F.以桥墩为中心，换算墩顶位移和总刚度
以桥墩为中心，计算墩顶x轴方向位移S’x和y轴方向位移S’y、x轴方向总刚度B’x和y轴方向总刚度B’y。
步骤A中承台底柔度必须以基础为中心计算，其中影响承台底柔度的桩基影响系数k受群桩的排列影响较大，如矩形和梅花形布置，其布置是按照基础方向来排布的，见公式(1)，其他方向该值计算无意义，
其中，h0为桩埋入土层以下深度，L0为两桩之间的净距，C为桩的列数：当n＝1时，C＝1.0；当n＝2时，C＝0.6；当n＝3时，C＝0.5；当n≥4时，C＝0.45。
步骤B中以桥墩为中心，换算的承台底柔度其公式如下：
γ′x＝γxcos2θ+γysin2θ (2)
γ′y＝γxsin2θ+γycos2θ (3)
其中，θ是桥墩与基础的扭角。
步骤C中桥墩受到的其他力，如梁端支反力、长钢轨力、摇摆力等都是以桥墩为中心计算的，计算完后分解到基础方向再与地震力一起进行荷载组合。
步骤D中以基础为中心，换算的承台底外力，其公式如下：
Fx＝F′xcosθ-F′ysinθ (4)
Fy＝F′xsinθ+F′ycosθ (5)。
步骤F中以桥墩为中心，换算的墩顶位移和总刚度其公式如下：
S′x＝Sxcosθ+Sysinθ (6)
S′y＝Sycosθ-Sxsinθ (7)
实施例一
8根1m的桥墩桩基础，设计地震加速度Ag＝0.1g，反应谱特征周期Tg＝0.45g，该基础所处的地质情况见图3，桥墩和基础的扭角为30°。
分别采用方法一、方法二、本发明进行计算，计算结果见图4。
其中，方法一以桥墩为中心输入桩基坐标，因为基础的刚度只在纵横向有效，所以计算的总刚度明显偏大，桩长与无扭角的情况一样。
方法二以基础为中心换算承台底的外力，虽然增加了桩长，但是忽略了扭角对总刚度的影响。
采用本发明的方法，计算的桩长在方法一和方法二之间，计算的墩顶位移和总刚度介于无扭角的纵横向之间，结果合理。
综合得到，本发明的算法能够有效节省桩长，正确计算墩顶位移和总刚度。
本发明的针对桥墩和基础带扭角的桩基，认为桥墩和基础只有在各自的坐标系下计算的指标才有意义，因此设计了坐标转换的计算方法，通过三次坐标转化准确计算了该类型的桩基。首先，以基础为中心，计算基础刚度，转化到桥墩中心，然后，以桥墩为中心，计算桥墩地震力和其他外力，转化到基础中心，最后，以基础为中心，进行基础计算，把墩顶位移和总刚度转化到桥墩中心。
本发明能够针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等不同类型的桥墩桩基计算，能够正确考虑桥墩和基础的扭角，该方法不仅解决了桩基的计算问题，而且考虑了基础扭角对整体刚度的影响。
Claims (6)
1.一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)以基础为中心，计算桩基坐标和承台底柔度
以基础为中心即以群桩中心为原点，承台宽度方向为x轴，承台长度方向为y轴的坐标系，进而计算桩基坐标、承台底x轴方向柔度γx、承台底y轴方向柔度γy；
(B)以桥墩为中心，换算承台底柔度，作为边界约束条件，计算桥墩地震力，换算到承台底
以桥墩为中心即以桥墩中心为原点，线路方向为x轴，垂直线路方向为y轴的坐标系，进而换算承台底x轴方向柔度γ’x和y轴方向柔度γ’y，作为墩底的边界约束条件，采用反应谱法求解桥墩的地震力；
(C)以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并进行荷载组合
以桥墩为中心，计算承台底其他外力，并与地震力一起进行荷载组合，得到承台底x轴方向外力F’x和y轴方向外力F’y；
(D)以基础为中心，换算承台底外力
以基础为中心，计算承台底x轴方向外力Fx和y轴方向外力Fy；
(E)根据承台底外力计算桩基，得到墩顶位移和总刚度
以基础为中心，计算墩顶x轴方向位移Sx和y轴方向位移Sy、x轴方向总刚度Bx和y轴方向总刚度By；
(F)以桥墩为中心，换算墩顶位移和总刚度
以桥墩为中心，计算墩顶x轴方向位移S’x和y轴方向位移S’y、x轴方向总刚度B’x和y轴方向总刚度B’y。
2.根据权利要求1所述的一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：步骤(A)中承台底柔度必须以基础为中心计算，其中影响承台底柔度的桩基影响系数k受群桩的排列影响较大，如矩形和梅花形布置，其布置是按照基础方向来排布的，见公式(1)，其他方向该值计算无意义，
其中，h0为桩埋入土层以下深度，L0为两桩之间的净距，C为桩的列数：当n＝1时，C＝1.0；当n＝2时，C＝0.6；当n＝3时，C＝0.5；当n≥4时，C＝0.45。
3.根据权利要求1所述的一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：步骤(B)中以桥墩为中心，换算的承台底柔度其公式如下：
γ′x＝γxcos2θ+γysin2θ (2)
γ′y＝γxsin2θ+γycos2θ (3)
其中，θ是桥墩与基础的扭角。
4.根据权利要求1所述的一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：步骤(C)中桥墩受到的其他力，如梁端支反力、长钢轨力、摇摆力等都是以桥墩为中心计算的，计算完后分解到基础方向再与地震力一起进行荷载组合。
5.根据权利要求1所述的一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：步骤(D)中以基础为中心，换算的承台底外力，其公式如下：
Fx＝F′xcosθ-F′ysinθ (4)
Fy＝F′xsinθ+F′ycosθ (5)。
6.根据权利要求1所述的一种考虑桥墩与基础带扭角的桩基计算方法，其特征在于：步骤(F)中以桥墩为中心，换算的墩顶位移和总刚度其公式如下：
S′x＝Sxcosθ+Sysinθ (6)
S′y＝Sycosθ-Sxsinθ (7)
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