拱桥阻滑板的原理及应用_刘承刚

TRANSPORT STANDARDIZATION． 1 HALF OF Apr.，2010（No.218） · 2010 年 4 月上半月刊（总第 218 期） 1 引言 拱桥在我国是一种最常用的桥梁型式， 其式样 之多、 数量之大， 位居各种桥型之首， 特别是公路 桥梁。 据统计， 我国的公路桥中7%为拱桥。 拱桥 最大的优点是将桥面系传来的压力转化为轴向压 力， 跨越能力强。 但由于拱脚水平推力较大， 限制 了其在软土地基上的应用。 为克服此缺点， 研究人 员和技术人员提出了许多组合式抗推体系， 如U型 台加挡土板、 群桩基础加阻滑板、 沉井基础加挡土 板等 。 《公路砖石及混凝土桥涵 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规范 》 （JTJ 022-85）中规定： 拱的水平力计算采用静力平衡法 或变形协调法。 前者计算简单方便， 桩基基础承担 的拱的水平推力取10%～25%， 而后者计算更接近 于结构实际受力情况。 因此本文拟采用变形协调理 论， 结合实例计算阻滑板的水平抗推刚度， 并按组 合后的刚度进行水平力的分配。 2 阻滑板水平抗推刚度的推导 首先作两种基本假定： a）将土视为弹性变形介 质， 其剪应力与位移成正比； b）在研究阻滑板水平 抗推刚度时， 不考虑板底反力的影响。 基于以上假 设， 将长L、 宽B、 厚T的阻滑板沿长度方向均分为 n段， 从中取任意i段为研究对象， 其两端点分别为 拱桥阻滑板的原理 及 应用 刘承刚 （河北邯郸市交通局， 河北 邯郸 056002） 摘要： 拱桥作为一种最常用的桥梁型式， 存在着拱脚水平推力较大的缺点， 而阻滑板体系能够克服此缺点。 因此， 有必 要推导出阻滑板的水平抗推刚度， 并结合工程实例分析影响阻滑板抗推刚度的因素， 提出施工中应注意的问题。 关键词： 拱桥； 阻滑板； 桩基； 抗推体系 中图分类号： U443.16 文献标识码： A 文章编号： 1002-4786（2010）04-0201-03 DOI： 10.3869/j.1002-4786.2010.04.039 Principle and Application of Antislider in Arch Bridge LIU Cheng-gang （Handan City Transport Bureau of Hebei Province， Handan 056002， China） Abstract： Arch bridge is the most frequently used bridge type， yet has such a drawback that the horizontal thrust at arch feet is big， which can be solved by the antislider. It derives the lateral stiffness， analyses the influence factors on the lateral stiffness， finally， puts forward the matters de- serving attention. Key words： arch bridge； antislider； pile foundation； push resistance system 入内”的标志旗警戒）， 使危险区的人员都能清楚听 到和看到。 要使全体职工和附近居民事先知道警戒 范围、 警戒标志和声响信号的意义， 以及发出信号 的方法和时间。 出现盲炮时， 要及时通知主管技术 人员到现场按规范要求进行处理。 作者简介： 钟永坤（1974-）， 1998年毕业于石家庄铁道学院， 交通土建专业。 收稿日期： 2010-01-20 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! HIGHWAY CONSTRUCTION & MAINTENANCE 公 路 建 设 与 养 护 201 · 2010 年 4 月上半月刊（总第 218 期） TRANSPORT STANDARDIZATION． 1 HALF OF Apr.，2010（No.218） 20 0 1 300 阻滑板 钻孔灌注桩 120 承 台 立柱 装饰拱 沉降缝 主拱圈 图2 钢管混凝土中承拱抗推示意图 Ni-1 Ni i-1 i Vi-1 Vi τi i n-1n-2 n0 1 2 3 图1 阻滑板水平抗推示意图 i－1、 i； N为轴向力； τ为板底土对板的平均剪应力； Vi-1、 Vi分别为i－1及i端在水平向的位移； Cx为土的 弹性剪切系数。 图1所示为阻滑板水平抗推示意图。 根据图1， 有： τi= 12 Cx （Vi-1+Vi） （1） Vi-Vi-1=- NiLnBET - CxL2 4n2ET （Vi-1+Vi） （2） 整理后有： （1+μ）Vi=（1-μ）Vi-1- NiLnBET （3） （1+μ）Vi-1=（1-μ）Vi-2- Ni-1LnBET （4） 其中 μ= CxL 2 4n2ET 由式（3）、 式（4）， 得： （1+μ）（Vi-Vi-1）=（1-μ）（Vi-1-Vi-2）- （Ni-Ni-1）LnBET （5） 令水平向ΣX=0， 则： Ni-Ni-1=- BLCx2n （Vi-1+Vi） （6） 将式（6）代入式（5）， 并令： q0=- 2（1+μ）1-μ 最后得： Vi-q0Vi-1+Vi-2=0 i=2，3，…，n （7） 为了确定阻滑板的水平抗推刚度， 令： V0=1 （8） 且式（3）中i=n时， Nn=0， 代入式（3）可得： Vn= 12 q0Vn-1 （9） 由式（7）～式（9）可联立求得各点位移V0，V1，…， Vn。 最后， 阻滑板的抗推刚度可按下式确定： K阻= BLCx2n n i=1 Σ（Vi-1+Vi） （10） 3 工程案例分析 某高速公路一支线上跨桥， 上部结构为钢管混 凝土中承拱， 跨径为56m， 矢高为15.55m。 下部结 构为120cm钻孔灌注桩群桩基础加阻滑板， 钻孔 桩共3排， 每排4根， 合计12根， 单根长21m。 阻滑 板长度L=13m， 宽度B=15m， 厚度T=2m， 片石混凝 土。 阻滑板底采用碎石土， 如图2所示。 经上部结 构计算， 传至基础底的水平力合计为4 686kN。 3.1 群桩基础水平抗推刚度计算 令水平力H=10000kN， 垂直力P=0， 弯距M=0， 计算得水平位移δ， 则群桩基础的水平抗推刚度为： K桩= 1δ = 10000 0.873e-2 =1.145e6 （kM/m） 3.2 Cx的确定 当无实验资料时， 根据《公路砖石及混凝土桥 涵设计规范》有： Cx=Cy2 = 1 2 m0h （11） 阻滑板厚度T=2m， 换算成土柱高度h为： h= γ板γ土 ×T= 2420 ×2.0=2.4 （m） 将h代入式（11）， 得： Cx=Cy2 = 25000×2.4 2 =30000 （kN/m3） 3.3 阻滑板水平抗推刚度计算 利用式（10）， 最终求得K阻=5.0e6kN/m。 3.4 组合抗推体系的水平抗推刚度集成及水平力 的分配 K总=K阻+K桩=6.145e6kN/m 式中， K桩占18.6%， K阻占81.4%。 阻滑板所承受的水平力为4686×81.4%=3814.4 （kN）， 群桩基础所承受的水平力为4686×18.6%= 871.6（kN）， 经代入验算， 群桩基础满足强度要求。 3.5 影响阻滑板抗推刚度的因素分析 3.5.1 长度L 阻滑板的抗推刚度K阻随长度L的增大而增加， 见图3。 HIGHWAY CONSTRUCTION & MAINTENANCE 公 路 建 设 与 养 护 单位为厘米 202 TRANSPORT STANDARDIZATION． 1 HALF OF Apr.，2010（No.218） · 2010 年 4 月上半月刊（总第 218 期） 10 8 6 4 2 0 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 K （ 1 06 kN /m ） 图3 K阻与L之间的关系示意图 L（m） L（m） 7 10 13 16 19 22 25 28 31 40 K1（106kN/m） K2（106kN/m） （K1-K2）/K1 3.14 3 4.5% 4.48 4.08 8.9% 5.77 5 13.3% 7.13 5.74 19.5% 8.43 6.33 24.9% 9.72 6.78 30.2% 11 7.12 35.2% 12.2 7.38 39.6% 13.4 7.56 43.8% 16.9 7.87 53.5% 34 37 14.6 7.7 47.4% 15.8 7.8 50.6% 表1 阻滑板的抗推刚度与长度L之间的关系 由图3可知： 随着L的增长， K阻的增幅趋缓。 这表明， 当长度L达到一定的数值后， 其对K阻的影 响很小， 再增加长度只会造成材料的浪费。 因受地 形及邻墩的影响， 本桥阻滑板长度取为13m。 3.5.2 弹性压缩 若在计算阻滑板的抗推刚度中不计入弹性压缩 的影响， 则式（2）可变换为： Vi-Vi-1=- CxL 2 4n2ET （Vi-1+Vi） （12） 整理后可得： Vi= 1-μ1+μ Vi-1 （13） 令 q1= 1-μ1+μ （14） 则Vi=q1Vi-1（i=1，2，…，n）为一等比数列。 又V0= 1， 所以Vi=qi1。 在求出各点位移后， 即可确定阻滑 板的抗推刚度。 本桥若不计入弹性压缩， 求得K阻=5.774e6kN/ m， 因此阻滑板的弹性压缩使K阻下降了13.3%。 表1 列出了不考虑弹性压缩影响， 阻滑板的抗推刚度与 长度L之间的关系。 表1表明长度L越大， 弹性压缩导致K阻下降得 越快。 因此， 合理选用阻滑板的长度， 在满足抗推 要求的同时， 对提高材料的使用效率有着重要的意 义。 3.5.3 地基比例系数m及厚度T 本桥当m分别取 10 000kN/m4、 15 000kN/m4、 20 000kN/m4时 ， K 阻分别为 2.19e6kN/m、 3.18e6 kN/m、 41.2e6kN/m， 这是因为m值越大， 板底土的 剪应力也越不均匀； 而当T值分别取1.5m、 2.0m、 2.5m、 3.0m时， K阻分别为3.89e6kN/m、 5.0e6kN/m、 6.04e6kN/m、 7.01e6kN/m。 因此， 改善板底土的地 质条件， 适当增加板的厚度， 将能提高阻滑板的抗 推性能。 4 施工中应注意的问题 为防止阻滑板沉降给桩基带来的负摩阻的不利 影响， 施工中应先施工阻滑板然后再施工钻孔灌注 桩。 施工阻滑板前应先平整基底土， 可采用加铺碎 石类土等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 以改善基底条件， 提高阻滑板的抗推 潜力。 阻滑板与群桩之间应设置沉降缝， 并尽量使 板底与拱脚水平， 因为如果板底与拱脚不水平， 阻 滑板对群桩基础的反作用力将给桩基一附加弯距， 而这附加弯距对桩基的安全是不利的。 5 结语 本文的研究表明， 采用前直后斜或增加桩总数 的方法， 可提高群桩基础的水平抗推能力； 通过适 当增大长度L、 地基比例系数m及厚度T值， 可提高 阻滑板的抗推能力。 而采用变形协调理论， 可求解 出这两者之间的刚度比， 从而使组合抗推体系的水 平力分配更接近于实际受力情况。 只要设计时能正 确分析， 并做到精心施工， 拱桥的应用范围将会更 加广阔。 参考文献 [1] JTJ 022-85， 公路砖石及混凝土桥涵设计规范 [S]. [2] JTJ 024-85， 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. [3] 胡人礼. 桥梁桩基础分析和设计[M]. 北京： 中国 铁道出版社， 1987 [4] 邵旭东. 桥梁工程[M]. 北京： 人民交通出版社， 2004. 作者简介: 刘承刚， 工程师， 现任职于河北邯郸市交通局。 收稿日期： 2009-03-04 HIGHWAY CONSTRUCTION & MAINTENANCE 公 路 建 设 与 养 护 203