整体式结构边墩基础配筋优化设计

整体式结构边墩基础配筋优化设计

安帅锟

中国铁路设计集团有限公司，天津，300308

摘要：本文从某铁路项目基础设计实例出发，以整体式结构桥梁边墩基础配筋计算为背景，通过理论分析及计算验证，确定了桩基布置形式、地质参数、材料强度、施工顺序为影响桩基配筋的主要因素，同时通过优化桩基布置、提高承台侧回填土碾压标准、采用高强钢筋和混凝土材料、改变上部结构施工顺序等措施，有效降低基础配筋面积，满足桥梁基础设计要求。最后从原理出发，总结出基础设计中降低钢筋面积的经验。

关  键  词：整体式结构桥梁；基础设计；配筋优化；铁路桥梁

一．概述

我国铁路工程中桥梁多为分离式桥梁结构：即桥梁分成多个独立的部分分别建造，包括梁部、支座、桥墩、基础等单元，最后组合在一起成为完整的桥梁结构；而整体式结构桥梁在德国埃本斯费尔德至爱尔福特铁路和爱尔福特到莱比锡铁路上首次应用，截止目前该类桥梁已有5座在国外高铁项目中成功运营，其中Scherkonde河谷大桥获2012德国BRückenbaupreis 大奖。

图1-1  Scherkonde 河谷大桥鸟瞰图图1-2  Gänsebach 河谷桥侧面

整体式结构“小而精”的特点受到大众青睐，其主要优势有：

1.外形上结构细长，凸显美观性、通透性。

2.省略支座及伸缩缝的桥体，在少养护维修的山区段落有得天独厚的桥式优势。

3.上部结构实体截面，有效降低桥梁的纵向刚度、自振频率；整体浇筑无施工缝，易于建造，同时因结构新颖、造型美观，具有广阔的发展前景。

4.桥墩薄臂实体墩无需内设模板，易于施工。

二、设计情况

某铁路项目中有如下工点：桥梁位于人迹罕至的山区，为减小养护维修难度，桥梁宜不设置支座；架桥机无法通行，施工方式采用现浇；桥高较低，宜采用小跨径桥梁结构形式。因此，整体式结构成为该工点的选用桥型。

设计时发现，因墩梁固结增加了结构超静定次数，整体式结构边墩基础对沉降、温度、收缩、徐变、基础刚度等因素非常敏感，初步试算结果显示，各个桩基基础配筋面积较大，尤其是罕遇地震工况下，计算结果超出基础截面的最大配筋能力。因此该如何有效降低整体式结构边墩基础配筋率成为本文探索的问题。

图2-1整体式桥梁一联立面布置图

三、设计优化

桩基础计算基本原理：相较于墩梁分离的梁式桥体系，墩梁固结的刚构体系对荷载更敏感，表现为墩底水平反力较大增加基础配筋率，尤其在矮墩、强震地段较为明显。虽然增加桩基根数可以降低配筋率，但同时会增加基础刚度，制约上部设计，形成结构设计的恶性循环，因此优化基础配筋率，寻求安全经济又合理的桩基基础是设计阶段不得不面临的问题。在探索过程中发现，影响边墩基础配筋计算的有如下四个因素：桩基布置形式、地质参数、材料强度、施工顺序等。

3.1桩基布置形式

设计过程中，不同桩基与桩径的基础形式比选如下：

图3-1 群桩1.0m桩基           图3-2 群桩1.25m桩基      图3-3 通天桩2.0m桩基

计算结果如下表

表3-1   不同基础形式对比

根据不同桩基础配筋计算结果显示，2.0m通天桩基础配筋率最大，1.0m桩基最小，分析原因在于基础刚度的差异：即超静定结构内力分配数值与构件的线刚度正相关，纵向水平刚度较小的群桩基础配筋率，明显小于刚度较大的通天桩基础，因此优化基础纵向刚度是减小配筋的重要措施，本结构中推荐采用1m桩径的群桩基础。

3.2地质参数

根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（表D.0.2-1）中非岩石地基m值的取值范围，结合具体工点实际地层情况以及施工现场基坑回填压实程度，将承台侧地基比例系数取值分为0 kPa/m2和取值2000kPa/m2两个档次。

表3-2：非岩石地基m值的取值范围

由上表可知承台侧地基比例系数对桩基配筋有较大影响，配筋面积随QQ2数值提高而明显降低，因此在保证施工时承台侧土压实密实的前提下，设计中QQ2可取值2000 kPa/m2 ，以便降低基础配筋率。

3.3材料强度

3.3.1  提高混凝土标号

计算中发现桩头弯矩在罕遇地震工况下较大，构件出现小偏心混凝土受压情况，以至于出现桩截面混凝土达到容许抗压强度时，受压区钢筋还未达到材料容许压应力，因此配筋面积超限。此时可尝试提高混凝土标号，提高混凝土抗拉强度，达到减小桩基配筋面积的效果。

表3-3 罕遇地震工况下C30混凝土与C

35混凝土的基础配筋情况

从计算结果可知,C40高性能凝土可在一定程度上降低基础配筋面积，但降低效果有限（约7.9%）。

3.3.2 采用高强钢筋

在钢筋应力达到屈服时，可尝试提高钢筋强度等级。本次计算模型分别选取HPB300钢筋、HRB500钢筋计算分析，计算结果为：

表3-4  桩基钢筋比对表

上述计算结果显示，本次计算中需同时提高钢筋和混凝土两种材料的等级，才能对基础配筋有明显的优化作用(降低配筋面积约26.3%)，本结构中推荐同时提高混凝土和钢筋等级。

3.4施工顺序

在上部结构计算中发现，结构模型的安装与拆除、荷载的加载与卸载、边界条件的改变对结构内力均有很大影响。固结的边墩增加了结构的超静定次数，使结构受到温度变化、钢束布置等因素引起的次内力显著增大，但由于成桥后温度作用始终存在，因此可考虑采用调整施工方案顺序的方式提前释放内力，降低钢束等引起的次内力的措施，以减小墩底外力和基础配筋面积，

常规施工顺序为：基础施工→墩柱施工→中间梁段施工→中间短预应力张拉→两边梁段施工→预应力张拉→二恒施工→运营及收缩徐变阶段。

调整后的施工顺序为：基础施工→墩柱先浇段施工→主梁现浇施工→主梁预应力钢束张拉→施工墩柱后浇段→二恒施工→运营及收缩徐变阶段。

图3-4 整体式桥梁施工顺序调整图

表3-5 更改施工顺序后的墩底外力对比

将建计算模型调整前后的结果对比可知，调整上部结构施工顺序后，边墩墩底外力减小，桩基配筋面积减少8.7%。

四、结论

经过上述设计优化后，整体式结构边墩基础配筋率由初始的常规配筋面积157.08cm2，优化为施工图的配筋面积100.03cm2，配筋面积降低36.3%，顺利的克服了基础配筋超限的难题。该设计过程中得出的结论有：

1.桩间距、桩径、桩基布置形式等决定基础刚等因素均会影响基础配筋率，本质上还是内力分配的问题。基础设计时降低基础刚度可有效降低基础配筋率，尤其是在墩高较矮的基础设计愈发明显。

2.增加桩顶约束刚度可部分抵抗桩头水平力，以实现降低桩身配筋的效果，因此设计过程中可适当提高承台侧向地基比例系数m，降低基配筋率。设计时可在施工阶段对承台侧回填土碾压提出更高的技术要求，必要时可回填混凝土等刚性材料，以确保回填质量。

3.采用高强钢筋、混凝土等材料，可充分发挥材料的性能优势，降低基础配筋率，设计时应对配筋工况进行控制因素逐项分析对症下药，尤其是罕遇工况复杂因素控制的工点，切勿盲目提高造成材料浪费。

4.整体式桥梁结构上部与下部受力计算相互影响，当上述常规措施不能有效解决问题时，可尝试改变结构施工顺序，以此释放上述结构的次内力，进而降低基础配筋率。

参考文献

[1] 国家铁路局,铁路桥涵混凝土结构设计规范 TB 10092-2017[S],北京：中国铁道出版社.

[2] 赵长军,邬宁,雷波.英国整体式桥梁设计[J],《世界桥梁》,2012(01).

[3] 王先前,郭晓燕,严国齐.整体式桥梁力学性能的关键参数分析[J],《铁道科学与工程学报》，2018(09).

[4] 郑梦洋,梁喜燕,宋旭明.整体式桥梁动力特性及抗震性能研究[J],《地震工程学报》,2023(06).

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