铁路弹性地基梁的布置及合理桩间距的确定.pdf

铁路弹性地基梁的布置及合理桩间距的确定李玉柱（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１０２６００）・轨道工程・摘要以无碴轨道为例，通过初步拟定弹性地基梁的尺寸，经过计算比较得出合理的梁高及合理的桩间距，对高速铁路软基的实际布局提供了有效的理论基础和参考形式。关键词弹性地基梁刚度挠度不均匀沉降梁高桩间距跨度中图分类号ｕ２１３．２＋４４文献标识码Ｂ——文章编号１００９４５３９（２叭４）增ｌ一０３３９０４１弹性地基梁荷载类型及相关参数弹Ｉ生地基梁一般是指支承于地基上的梁板结构，是支承于密布桩基础之上的弹性梁板结构（见图１）。桦图１无砟轨道弹性地基梁横剖图（１）活载活载采用ＵＩＣ活载或ＺＫ特载。冲击系数：咖，：掣兰塑Ｌ＋０．９１３～√—ｋｏ．２—西，：竺＋ｏ．８５ｌ～√—ｋｏ．２（２）二二期恒载二期恒载偏于安全考虑按曲线，根据弹性地基梁的横断面，初步估算：ｇ＝１（１０ｋＮ／ｍ，单线ｑ＝１００／２＝５０ｋＮ／ｍ。（３）局部分布荷载在系梁宽度范围内（２．Ｏｍ）系梁自重引起荷载：口＝０．５×２．０×１．７×２５／２／２．０＝１０．６ｋＮ／ｍ（４）横向计算二期恒载ｇ＝５０×３．０／３．３＝４５．４５ｋＮ／ｍ（５）整体升温、整体降温整体升温按２０。，整体降温按２０。。（６）非线性温度按顶板和底板温度相差５。进行计算。２合理桩间距的选择的依据合理桩间距的选择是基于以下几个方面。２．１边界条件无论采用平面模型还是空间模型，计算弹性地基梁的各项指标，对于桩基的支承条件，按铰结、刚性支承分别考虑。２．２梁高参考其它铁路，初步拟定弹性地基梁的高度为５０ｃｍ。２．３悬臂长度（１）桩间距不受地基梁联与联的影响，即在采用地基梁结构的相当长的范围内，桩与桩的距离是等间距的，包括联与联沉降缝两川。的桩基。（２）悬臂的最小长度按桩基采用直径６０ｃｍ的摩擦桩之间的最小间距，即２．５×０．６５／２＝０．８１ｍ，取悬臂０．８５ｍ。——收稿日期：２０１４０３２１铁道建篱技术ＲＡ『ＬＭｙＣＯ～Ｓ粥ＵＣ丁『０～丁Ｅ－ｃｌＨ～０ＬＯＧｙ２０７４ｆ增７Ｊ３３９万方数据・轨道工程・３计算方法及工具３．１平面计算鉴于目前为科学研究阶段，平面计算程序采用了《桥梁博士》，ｕＩＣ活载按特载施加，均布荷载部分按轴距１．０ｍ，轴重８０ｋＮ计算；平面计算模型见图２。３７１１１５１９２３２７３１图２平面计算模型３．２空间计算空间计算程序采用ｓＡＰ９０，桩基支承采用空间桁架单元ＴＲｕＳＳ模拟，弹性地基梁采用ＳＨＥＬＬ单元模拟。活载采用ＢＲＩＤＧＥ程序段进行计算。空间计算模型见图３。图３跨度２００ｃｍ空间模型４桩基布置和间距比选４．１桩基布置（１）全部桩基础均按等间距布置。（２）每联的内部，桩间距相等，为了减小弹性地基梁的悬臂，相应减小相邻两联（端头）的桩间距。４．２桩间距比选原则桩基础必须满足结构的强度、刚度和稳定性要求，并在此基础上，适当加大刚度的权重，即在技术、经济指标相差不大的情况下，选取刚度大的方案。４．２．１等间距布置计算在桩基的间距相等的条件下，采用平面模型计算出３种桩间距对应的地基梁纵向刚度，见表１。从计算可以看出，悬臂端的刚度，弹性地基梁跨度２．０ｍ时，刚度最大，挠跨比ｌ／３６００；２．５ｍ时，挠跨比１／２２９９；３．０ｍ时，刚度最小，挠跨比ｌ／１５７６，不满足《暂规》要求的ｌ／１８００。表１地基梁的刚度ｍｍ跨度项目跨度３００ｃｍ跨度２５０ｃｍ跨度２００ｃｍ悬臂端最大挠度Ｏ．７６０．４３Ｏ．２２跨度与挠度的比值ｌ５７６２２９９３６００限值１８００ｌ８００１８００结论不满足要求满足要求满足要求刚度指标上看，桩基支承的弹性地基梁，采用跨度２５０ｃｍ，刚度富余量不大，采用２００ｃｍ时，刚度有一定的富余量。针对平面计算的结果，采用空间有限元程序ｓＡＰ８４进行校核。支承跨度采用２．ｏｍ和２．５ｍ，桩基支承采用空间桁架单元ＴＲｕｓｓ模拟，弹性地基梁采用ＳＨＥＬＬ单元模拟。活载采用ＢＲＩＤＧＥ程序段进行计算，由于没有ｕＩｃ模块，因此采用轻轨模块模拟ＵＩＣ活载。不采用ＢＲＩＤＧＥ程序段，根据经验判断，按列车单轴重２５０ｋＮ施加与模型的端部，按端部满布，轨距１．５ｍ范围，枕木２．３ｍ范围三种情况进行空间加载，计算地基梁的刚度。空间计算结果见表２。表２空间计算地基梁刚度值ＢＲＩＤＧＥ计算集中力单轴重２５０ｋＮ计算项目轨距范围端部满布轨距范围枕木范围悬臂端最大挠度Ｏ．４５ｍｍ０．３４ｍｍＯ．４４ｍｍ０．３９ｍｍ跨度与挠度的比值２２２２２９６３２２５４２５４８跨度２ｍ限值ｌ８００１８００ｌ８００ｌ８００结论满足要求满足要求满足要求满足要求悬臂端最大挠度０．６８Ｏ．５８０．６８０．６３跨度与挠度的比值１８３２２１６０ｌ８３８ｌ９８４跨度２．５ｍ限值ｌ８００１８００ｌ８００ｌ８００结论满足要求满足要求满足要求满足要求铁道建筑技术ＲＡ『Ｌ¨，ＡｙＣ０～Ｓ丁只ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣ＿Ｈ～０ＬＯＧｙ２ＤＴ４ｆ增¨万方数据・轨道工程・可见，不同的计算方法和不同的加载范围，对同一种跨度计算的刚度值相差不是太大。对于跨度２５０ｃｍ，刚度最不利值为１８３２，接近限值；对于跨度２００ｃｍ，刚度最不利值为２２２２，有一定的富余量。从以上计算结果看，不计联与联的关系，桩间距等距离布置，地基梁悬臂部分的刚度太小，因此，从高速列车高速行使的舒适度等方面考虑，此种方法布置不甚合理，不推荐本方案。４．２．２等悬臂计算根据桩基距离承台边缘的最小距离和桩间距的最小考虑地基梁的悬臂长度，桩基按直径６０ｃｍ的摩擦桩考虑，则最小悬臂长度８５ｃｍ。根据此悬臂长度，地基梁不同的跨度，相应的地基梁悬臂部分和非悬臂部分的最小刚度值（按平面模型计算）见表３和表４。表３平面模型地基梁刚度值（最小悬臂）跨度／ｍ４３２．５２悬臂刚度４００２４０００４２５６４７０８非悬臂最小刚度１０７０６２４４７１４１０４０６４５７４表４空间模型计算地基梁刚度值（最小悬臂）跨度，７ｍ４３２悬臂刚度ｌ８８９２１５９２２５９非悬臂最小刚度８７６７１４６３４１６０００对于跨度２．０～４．０ｍ，从平面计算模型和空间计算模型看，空间模型计算的刚度均小于平面计算，尤其是跨度２．０ｍ，非悬臂的刚度计算平面是空间的４倍。从建模上看，平面模型实际上跨度与梁的宽度比（２．０～４．Ｏｍ）在ｌ：１．６５～１：０．８３，跨度／梁宽度比较小，计算中存在较大的误差，而空间模型采用空间有限元进行刚度分配，因此计算相对准确。—从空间计算结果看，跨度２．０４．Ｏｍ时，地基梁的刚度都满足１／１８００的限值，但是其悬臂的刚度仍然富：余量不大。宽度２．ｏｍ时悬臂按１．０ｍ和按最小悬臂０．８５ｍ计算的刚度值相差不大，究其原因是，悬臂０．８５ｍ时，竖向位移小，但跨度也变小了，刚度跨度／挠度值因此变化不大。为进一步提高悬臂部分的刚度，可以通过两种方法，方法一是铁道建筑技术ＲＡｆＬ¨饵ｙＣＯＮＳ７．开ＵＣ丁Ｊ０～７－ＥＣＨ～０ＬＯＧｙ在地基梁联与联的梁端设置桩基如同联内的桩基，不同之处，两根桩基设置横联（如同双柱墩的顶帽），地基梁的梁端搭在横联上。方法二是增加地基梁的梁高。方法一：对于地基梁悬臂部分的刚度增加非常有效，但是增加了施工的工序，不利于整体机械化作业；方法二：梁高仅仅增加了１０ｃｍ，但有效的增加了悬臂部分的刚度，同时施工相对方法一简单。因此，暂时推荐采用增加地基梁梁高的方法增加地基梁的刚度。将地基梁的厚度由５０ｃｍ增加为６０ｃｍ，采用空间模型计算地基梁跨度３．Ｏｍ和２．０ｍ的刚度，计算结果见表５。表５梁高６０ｃｍ相应的刚度跨度／ｍ３．０２．０悬臂刚度３５６０３７３６非悬臂最小刚度２４Ｏｏｏ２５３９７可见，等悬臂计的跨度３．０ｍ和２．０ｍ地基梁的刚度均能满足要求，推荐桩间距为２．０～３．０ｍ。５计算分析５．１不计地基沉降的结构内力计算如图４所示，支承点处结构内力计算结果见表６。３２１１１５１９２３２７３ｌ３７ｌｌ１５１９２３２７３ｌ３５３９图４跨度１６．Ｏｍ、２０．０ｍ平面计算模型表６支承点处结构内力粱长１６．Ｏｍ梁长２０．０ｍ位置剪力弯矩剪力弯矩ｋＮｋＮ・ｍｋＮｋＮ・ｍ支承３５５４—４５３．１５５３—４５３支承７５５ｌ—１３９５５０—１３９ｌ／２梁长范围支承ｌｌ５５ｌ—１４ＪＤ５５０一１３９支承１５５４２一１３６．５５４１一１３６支承１９５４ｌ—１３６５．２计入地基沉降的结构内力计算如图５所示，对地基梁７孑Ｌ、１０孔、１４孑Ｌ一联，２０１４ｌ增１１３４ｌ万方数据・轨道工程・即地基梁长度１５．７ｍ，２１．７ｍ、２９．７ｍ，分别按对称一半不发生沉降，另一半靠中间的纵向两根桩基沉降１．５ｍｍ，其余沉降３．０ｍｍ进行了计算，计算的结果见表７。联长／２．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一沉降３．０ｍｍ沉降１．５ｍｍ图５沉降计算示意表７考虑沉降地基梁的内力和桩基础长度比较跨数最大桩顶桩长最大弯矩最小弯矩裂缝荷载组合竖向反力直径６０ｃｍ摩擦桩钢筋配筋孔ｋＮｋＮ・ｍｋＮ・ｍｍｍ２０ｍｎｌ钢筋，恒载＋活载７５３３２２３５８—４１００．０９间距１００ｍｍ７２１９５＞５０ｍｌ９７９—２６４５两根一束恒载＋活载＋１０２６１ｌ＞５０ｍ２００５—２６７５３２ｍｍ钢筋，０．０８７一半沉降１４２６ｌｌ＞５０ｍ２００５—２６７５间距１００ｍｍ注：桩长计算按假定软土地段平均摩阻力３５ＭＰａ计算。从计算中可以看出，一旦发生了不均匀沉降，对于地基梁本身配筋量的增加非常显著，因此，对于跨度比较小的地基梁必须有效地控制地基梁的沉降。另外，地基梁与桩基实际上是存在固接型式的，因此，混凝土的收缩，外界温度的变化，都会对地基梁的内力产生较大的影响；由于发生不均匀沉降，对桩基的桩顶反力影响非常大，是不发生沉降的５倍，采用直径６０ｃｍ的摩擦桩，需要桩长大于５０ｍ，使地基梁结构的优势显著的减弱。６结束语综上所述不推荐等间距方案设计，等悬臂方案计算又推荐了桩问距为２～３ｍ，梁高采用０．６ｍ。为了计算方便，对地基沉降进行了的假定，计算结果表明，地基不均匀沉降使得结构内力发生了显著变化，变化幅度甚至达到了５倍，这与实际情况是不相符合的，因为相邻的桩是由弹性地基梁连接为一个整体的，不均匀沉降导致结构内力重分布，内力重分布反过来对沉降也有很大影响。这样的相互作用的结果就是使沉降趋于均匀，因此，在工程实际中，地基沉降是匀顺变化的，地基沉降不会使结构内力发生显著的变化。故对结构进行改进优化，为加强结构的整体性，降低结构不同区段的不均匀沉降，采取增加结构端部的桩基础的数量，将不均匀沉降向结构中部集中，降低结构由于不均匀沉降引起的内力。具体３４２铁道建筑技术布置形式见图６，图６中桩间距尺寸按端部２．０ｍ，其余３．０ｍ进行布置。图６地基梁结构优化从以上分析可以看出，不均匀沉降对于弹性地基梁梁部的设计影响很大。采取端部增加桩基数量，将不均匀沉降的位移逐渐向结构中部增加的方式对结构受力和减少桩基长度将非常有效。参考文献［１］ＴＢ—１０００２．１２００５［２］ＴＢ—１０００２．５２００５［ｓ］．［３］ＴＢ—１０００２．４２００５规范［ｓ］．铁路桥涵设计基本规范［ｓ］．铁路桥涵地基和基础设计规范铁路桥涵混凝土和砌体结构设计［４］ＴＢ—１００３５２００２铁路特殊路基设计规范［ｓ］．［５］ＴＢ—１０００１９９铁路路基设计规范［ｓ］．［６］铁建设［２００５］１４０号新建时速２００一２５０公里客运专线铁路设计暂行规定［Ｓ］．［７］丁大军，刘忠德．弹性地基梁计算理论和方法［Ｍ］．南京：南京工学院出版社．ＲＡｌＬ＼～ＡＹｃＯＮＳＴＲＵｃＴ｜ｏＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１４Ｃ增１｛捌１Ｌ１斟耐寸对耕蚤万方数据