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关于桥涵地基基础规范引入极限状态设计

futao 桥梁拆除 2019-04-17 1133 0
川渝拆除17713551981

关于桥涵地基基础规范引入极限状态设计

原理的协调应用

我国现公路桥梁系列设计规范,按《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T50283-

1999)(以下简称《公结可标》),采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法,并按《工程结构设计基本术语和通用符号》(GBJ132-90)规定,修改了符号并列出了基本名词术语。先期各行业规范已将桥梁上部结构设计,采用以可靠度理论为基础的极限状态设计方法(是以优化原则确定的作用荷载的分项系数及组合系数来表达),使国内有关桥涵结构设计的规范得以统一,而且结构设计原则方面与国际先进标准衔接一致。把我国公路桥梁设计由长期沿用的、不甚合理的“定值设计法”转变为“概率极限状态设计法”,即在度量结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法,这无疑是设计思想和设计理论的一大进步,使结构设计更符合客观实际情况。

现行《公桥基规》按《公结可标》的规定,引入了极限状态设计原则,使得该规范与公路桥梁系列设计规范体系协调。

根据地基的变形性质特点,首先明确将地基设计定位于正常使用极限状态,相应的作用采用短期效应组合和长期效应组合。地基承载力计算时,承载力的选取以不使地基中出现长期塑性变形,同时考虑相应于承载力的地基变形与结构构件的变形具有不同的功能,作用不采用构件变形计算的短期效应频遇值组合,而取用短期效应标准值组合(令频遇值系数等于1.0)。

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摒弃了原规范基础沉降按原结构自重计算的规定,不仅考虑计算结构自重沉降,由于在桥涵使用期内可变作用的准永久值持续时间很长,也有很多影响,作用取用其长期效应组合。基础结构也应进行两类极限状态设计:基础结构承载力和稳定性承载能力极限状态设计;裂缝宽度等按正常使用极限状态设计。

现行《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)(以下简称《建基设规》)规定,地基基础设计时,所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应符合下列规定。

(1)按地基承载力确定基础底面积及埋深,或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台底面上的荷载效应,应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合,相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。

(2)计算地基变形时,传至基础底面上的荷载效应,应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合,不应计入风荷载和地震作用,相应的限值也应为地基变形允许值。

(3)基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按规范规定采用,但结构重要性系数y。不应小于1.0。

《建基设规》规定基础底面的压力应符合如下要求。

(1)当轴心荷载作用时:

式中:p——相应于荷载效应标准组合时,基础底面处的平均压力值;f.——修正后的地基承载力特征值。

(2)当偏心荷载作用时,除应符合上式要求外,尚应符合下式:

式中:Pm——相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的最大压力值。

同时规定:当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,从荷载试验或其他原位测试的参数及经验值等确定的地基承载力特征值,尚应按下式修正,即:

f。=fk +nmy(b-3)+7aYm(d-0.5)(1-31)式中:f——地基承载力特征值;

76、7.——基础宽度和埋深的地基承载力修正数;y—一基础底面以下土的重度;y。——基础底面以下土的加权平均重度;b——基础底面的宽度;d——基础埋置深度。

《建基设规》规定单桩承载力计算应符合如下要求。

(1)轴心竖向力作用下:

偏心竖向力作用下,除满足上述公式外,尚应满足下列要求:

Qknm?≤1.2R。(1-33)式中:R。——单桩竖向承载力特征值;Q.—一相应于荷载效应标准组合轴心竖向力作用下任一单桩的竖向荷载;Qum—一相应于荷载效应标准组合轴心竖向力作用下单桩的最大竖向荷载。

(2)水平荷载作用下:

式中:R出——单桩水平承载力特征值;Ha——相应于荷载效应组合时,作用于任一单桩的水平力。

该规范在总则和前言中介绍,本规范适用于工业与民用建筑(包括构筑物)的地基基础设计,确定了地基基础设计中承载力极限状态和正常使用极限状态的使用范围和设计方法。在这里首先要说明的是,工业与民用建筑建设位置及区域环境,与公路桥梁(尤其大桥和特大桥梁)桥位处及区域环境的复杂、离散、多变很不同,尤其水文地质条件差异很大。工业与民用建筑使用范围是大面积地面荷载作用,公路桥梁墩台基础是独立的、很小面积的地基承受荷载,为永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应组合,任何独立的基础都必然地受有竖向、水平荷载与弯矩,进行验算,也有不同之处。

为适应公路桥涵地基基础设计需要,在修订原规范期间通过典型有影响的设计和实践经验,以及吸取国内外研究成果,作出了很多项修改和补充内容,使设计符合技术先进、安全可靠、经济合理、适用耐久、保护环境的要求。其总则要求如下。

(1)桥梁基础类型选择与地基基础的设计要求特别强调因地制宜的原则我国土地辽阔、地形多变、地质复杂,桥梁基础是江、河、湖、海中重要而庞大的工程,地基基础的设计特别需要强调因地制宜的原则。基础工程与水密切相关,基础施工大多需要进行围水或水中作业,难度和工作量较大,因此,设计人员必须切实的掌握具体工程和水文地质条件,合理选择方案。桥址处工程地质情况不但对选择基础方案和事后的设计具有重要意义,而且也往往影响桥型方案的正确选择。因此,桥位选定以后,必须对桥址处认真勘察,对于可能设置墩台的位处,更应准确探明地质情况。

(2)基础结构要保证在最不利效应组合下具有足够的安全度基础结构与桥涵主体结构一样,应进行自身承载力验算,以保证其在最不利作用效应组合下具有足够的安全度。作用效应组合应按承载能力极限状态要求采用基本组合和偶然组合。结构重要性系数采用与主体结构的相同值。基础结构当需进行正常使用极限状态设计时,永久作用采用标准值、可变作用采用短期效应组合的频遇值系数和长期效应组合的永久值系数与主体结构相同。

(3)基础结构的稳定性验算

基础结构的稳定性验算是承载能力极限状态设计内容之一,将基础视为刚体使其保持静力平衡并具有一定的稳定系数。在计算中需考虑平衡作用效应和不平衡作用效应的最不利组合。对使结构失稳的同向且可能同时出现的可变作用效应都应组合在内,以达到组合效应最大值;而使结构稳定的同向、任何可能不同时出现的可变作用效应,应选用其中主导作用效应,以使稳定作用效应达到最小值。

(4)对基础结构耐久性(使用寿命)的关注要求基础结构耐久性不仅受材料(如混凝土和钢筋混凝土)本身所含有害物质的影响,而且还受基础结构所处气、水、土等自然环境中常含的腐蚀性物质侵害的影响。因此,基础结构应按不同环境进行耐久性设计。其内容要求可参照有关现行规范。

(5)基础沉降要考虑地基变形性质

由于地基土是大变形材料,具有长期的时间效应,因此基础沉降应按正常使用极限状态下作用长期效应组合进行计算,即规定为永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应组合。规范所指作用长期效应组合实为荷载长期效应组合,其中永久作用标准值是指结构自重、土重、土侧压力、浮力标准值;可变作用准永久值是指汽车荷载准永久值和人群荷载准永久值。规范采用的作用效应组合,在桥梁上出现的概率较大,持续的时间较长,对基础沉降有较大影响,因而是合理的。

(6)地基承载能力容许值或者单桩承载力容许值的意义变形随着其上作用的加大而增加,承载力也相应提高。但地基土的变形不能无限制地增

加,地基承载力也不能达到极限值。就地基设计而言,由于建在地基土的桥梁结构处于自身变形的要求而不能适应地基土的大变形,往往是地基承载能力达到真正的极限值之前,地其变形已使结构达到或超过按正常使用的限值。因此,地基设计应遵循正常使用极限状态这一原则。所选定的地基承载力,是由荷载试验或其他原位测试确定的地基土压力与变形关系曲线,其现行变形段内不超过比例限界点的地基压力值,规范称之为地基承载力容许值。

现大桥与特大桥多数采用超长钻孔灌注桩,其承载性能明显不同于普通的长桩、短桩,桩周摩阻力和桩端支承力发挥是不同步进入极限状态,通常是前者先达到极限并使桩土间产生滑移变形,超长桩在荷载作用下其自身压缩变形量也大,所以选定单桩承载力同地基类似。

以上规范总则提出的要求必须执行外,在此基础上对规范主要内容也作了一些必要的改进,并首先强调应由荷载试验或原位测试来确定容许值及其他相关参数,但规范也部分保留经局部修正的原规范各项表列数据。新增了采用后压浆技术的灌注桩承载力的计算公式,公路桥梁已应用在大跨与特大跨的地下连续墙基础被列为规范内容。

现以规范中钻孔桩单桩轴向受压承载力容许值计算公式为例加以说明。

[R.]=2“名9m4+A,9,中,第一项是桩侧总摩阻力容许值,第二项是桩端总承载力容许值。关于桩侧土的摩阻力按标准值qa(kN),基本采用原规范数据并略有调整。对桩端处土承载力容许值。.(kN)(相当于原规范Oa)的计算公式仍沿用原规范公式,具体如下:

9.=moA{[fa]+Kirn(h-3)}(1-35)

9的上限值有所修正,不是由公式计算得出的最大值,而是基于大量的实测资料得到的。

在近年的实际应用中发现,原规范某些情况下q,的计算结果超出实测值较多,故在规范的修订过程中,收集统计了较理想的113根试验桩资料(均为桩顶变位较大的试桩,包含了用于指定原规范的105根试桩中的15根),提出了q.的上限值。

地基支撑着整座桥梁及桥上作用的荷载,且地基土的物理性能变异很大,所以在地基承载力验算和选用荷载问题上,应注意有别于桥梁主体结构正常使用极限状态的计算。

桥梁基础是桥梁结构直接与地基接触的最下部分。桥梁基础类型要按规范要求,根据天然和人工所具备的条件,进行合理的选择。如遇复杂情况,还可对天然条件进行局部改造,或拟定不同方案作出技术和经济的比较后优选。

公路桥梁地基与基础设计时,除应符合本规范外,尚应符合现行有关国家标准规范。


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