一种整体式桥台桥梁的简化设计施工方法.pdf

本发明公开了一种整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，提出整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型，计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型，计算得到台后土压力的合力大小和作用位置，计算得到给定荷载工况下的等代桩长；然后将计算结果应用到三维框架简化计算模型，采用桥梁设计软件对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算；根据设计计算结果进行施工，依次包括桩基础施工，桥台施工，在台顶设置临时支座，在临时支座上架设主梁，浇筑接头混凝土，将主梁和桥台浇注成整体，形成整体式桥台桥梁。

权利要求书
1.  一种整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，其特征在于：
1）采用作用在桥台上的土压力合力来考虑台后填土对桥台的作用，并通过等代长度的桩基础来考虑桩侧地基土与桩基础的相互作用，在此基础上提出整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型；
2）考虑台后填土对桥台的非线性作用以及上部结构、桥台和台后填土对桩基础的等代桩长的影响，采用台后土弹簧单元、桩侧土弹簧单元分别模拟台后填土和桩侧地基土的作用，提出计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型，完善三维框架简化计算模型；
3）在给定的荷载工况作用下，采用计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型进行分析计算得到台后土弹簧对桥台的作用力，将它们与台后作用的静止土压力进行迭加得到台后土压力的合力大小和作用位置；
4）在给定的荷载工况作用下，通过不断调整计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型中桩基础的长度得到该荷载工况下的等代桩长；
5）计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型配合整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型，采用桥梁设计软件对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算；
6）根据步骤5）中的设计计算结果进行施工，依次包括桩基础施工，桥台施工，在台顶设置临时支座，在临时支座上架设主梁，浇筑接头混凝土，将主梁和桥台浇注成整体，形成整体式桥台桥梁。

2.  根据权利要求1所述的整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，其特征在于，计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型采用NCHRP土压力系数曲线确定台后土弹簧单元的刚度。

3.  根据权利要求1所述的整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，其特征在于，计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型采用 “m”法来确定桩侧土弹簧单元的刚度。

4.  根据权利要求2所述的整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，其特征在于，台后采用砂性土回填。

5.  根据权利要求2所述的整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，其特征在于，
桥台的桩基础在桩顶范围内采用比桩身尺寸大1米以上的预钻孔，并在该范围内的桩侧填入松散砂性土，具体范围根据计算结果确定。

说明书一种整体式桥台桥梁的简化设计施工方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程领域，尤其涉及一种采用桩基础整体式桥台桥梁的简化设计施工方法。
背景技术
桥梁的伸缩缝是为了适应桥梁伸缩变形的需要而在上部结构设置的间隙，桥梁伸缩装置是为使车辆平稳通过桥面并满足桥梁上部结构变形的需要，在伸缩缝处设置的由橡胶或钢材等组成的各种装置的总称。对于交通管理部门而言，桥梁伸缩装置的存在会带来许多维护上的问题。近年来，随着我国经济建设的迅猛发展，桥梁伸缩缝的破坏现象也日益严重。对于伸缩缝存在的问题，一种解决思路是将其取消。无伸缩缝桥梁的概念正是基于这点而提出，取消中、小桥梁的伸缩装置，梁体的变形通过构造上一些特殊处理予以吸纳。
由于取消了伸缩缝，无伸缩缝桥梁避免了设置伸缩装置所带来的各种缺陷。近年来，无伸缩缝桥梁的性能、设计和建造已经引起了人们越来越多的兴趣，在世界许多国家都得到了应用和发展。其中，整体式桥台桥梁是目前世界各国应用最广，研究最多的无伸缩缝桥梁。整体式桥台桥梁的上部结构和下部结构被浇筑成整体，这使得主梁的任何一个微小的伸缩变形都将影响桥台、台下柔性桩基础、台后填土以及桩侧土的受力和变形，而下部结构、地基土也将限制梁体的伸缩变形，这就使得整体式桥台桥梁的受力分析存在着许多的不确定性和复杂性，给其推广应用带来了很大的困难，基本上是依赖于经验和不完整的技术文献，还没有从根本上解决设计理论计算分析和施工方法。
发明内容
本发明的发明目的在于解决上述技术问题，提供一种采用桩基础整体式桥台桥梁的简化设计施工方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
1）采用作用在桥台上的土压力合力来考虑台后填土对桥台的作用，并通过等代长度的桩基础来考虑桩侧地基土与桩基础的相互作用，在此基础上提出整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型；
2）考虑台后填土对桥台的非线性作用以及上部结构、桥台和台后填土对桩基础的等代桩长的影响，采用台后土弹簧单元、桩侧土弹簧单元分别模拟台后填土和桩侧地基土的作用，提出计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型，完善三维框架简化计算模型；
3）在给定的荷载工况作用下，采用计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型进行分析计算得到台后土弹簧对桥台的作用力，将它们与台后作用的静止土压力进行迭加得到台后土压力的合力大小和作用位置；
4）在给定的荷载工况作用下，通过不断调整计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型中桩基础的长度得到该荷载工况下的等代桩长；
5）计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型配合整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型，采用桥梁设计软件对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算；
6）根据步骤5）中的设计计算结果进行施工，依次包括桩基施工，桥台施工，在台顶设置临时支座，在临时支座上架设主梁，浇筑接头混凝土，将主梁和桥台浇注成整体，形成整体式桥台桥梁。
其中，计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型采用NCHRP土压力系数曲线确定台后土弹簧单元的刚度。
计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型和计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型采用 “m”法来确定桩侧土弹簧单元的刚度。
由于NCHRP土压力系数曲线仅适用于砂性土，因此，台后填土要求采用砂性土。
另外，桥台桩基础要求具有一定的柔度，桥台的桩基础在桩顶范围内要求采用比桩身尺寸大1米以上的预钻孔，并在该范围内的桩侧填入松散砂性土，具体范围根据计算结果确定。
本发明的有益效果为：运用上述三维框架的简化计算模型，可采用国内现有的桥梁设计软件对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算，结合提出的施工方法，为整体式桥台桥梁在工程实际中的推广应用提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例中提出的用于整体式桥台桥梁设计计算时采用的三维框架简化计算模型；其中图1a为立面示意图，图1b为空间示意图；
图2为本发明实施例中提出的用于计算整体式桥台桥梁的台后土压力的二维弹簧框架计算模型；
图3为本发明实施例中提出的用于计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型；
图4为本发明实施例中提出的用于模拟台后填土对桥台的作用所采用的美国公路合作研究计划（National Cooperative Highway Research Program, NCHRP）给出的土压力系数曲线图；
图5为本发明实施例中提出的计算桩基础等代桩长和台后土压力的计算流程图；
图6 为本发明实施例中提出的桥台与主梁和桩基础连接处的简化模型；其中图6a为立面示意图，图6b为侧面示意图；
图7 为本发明实施例中提出的主梁与桥墩连接处的简化模型；其中图7a为立面示意图，图7b为侧面示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明，请一并参阅附图：
本发明提供一种采用桩基础整体式桥台桥梁的简化设计施工方法，采用的技术方案为：
1）采用作用在桥台上的土压力合力来考虑台后填土对桥台的作用，并通过等代长度的桩基础来考虑桩侧地基土与桩基础的相互作用，在此基础上提出整体式桥台桥梁在使用阶段的三维框架简化计算模型，该三维框架简化计算模型如图1所示，以两跨为例，图1a为立面示意图，在图1a中，示出了主梁单元1，桩基础单元2，连接单元3，33，333，接头单元4，44，444，桥墩单元5，边界单元6，桥台单元7和桩底固接或铰接8。图1b为空间示意图，在图1b中，进一步示出了横梁单元9，盖梁单元10，虚横梁单元11和构造单元12。图1a和图1b所示的三维框架简化计算模型把台后填土对结构的作用简化为作用在桥台上的土压力合力来考虑，把桩侧土与桩基的相互作用通过等代桩长予以考虑，其中等代桩长和土压力合力与作用位置可以利用二维弹簧-框架模型来计算。
2）考虑台后填土对桥台的非线性作用以及上部结构、桥台和台后填土对桩基础的等代桩长的影响，采用台后土弹簧单元、桩侧土弹簧单元分别模拟台后填土和桩侧地基土的作用，提出计算整体式桥台桥梁的台后土压力和桩基础等代桩长的计算模型，完善三维框架简化计算模型；这里的计算整体式桥台桥梁的台后土压力和桩基础等代桩长的计算模型如图2和图3所示，以两跨为例，图2示出了用于计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型，在图2中，示出了主梁单元1，桩基础单元2，连接单元3，33，333，接头单元4，44，444，桥墩单元5，边界单元6，桥台单元7，台后土弹簧单元21和桩侧土弹簧单元22。图3示出了用于计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型，在图3中，示出了主梁单元1，桩基础单元2，连接单元3，33，333，接头单元4，44，444，桥墩单元5，边界单元6，桥台单元7，桩底固接或铰接8和台后土弹簧单元21。在计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型中，桥台桩基础和桩侧土的作用则用等代长度的桩基础代替（简称等代桩长），即当外力作用下，实际桩基础桩顶的荷载效应与一根位于地面以下某一深度处的悬臂桩桩顶的荷载效应相等时，此时悬臂桩的长度即为该桩基的等代桩长。
采用图4所示的NCHRP土压力系数曲线确定台后土弹簧单元的刚度。具体实施时，将NCHRP土压力系数曲线向下平移（为时的土压力系数即静止土压力系数），同时由计算出台后作用的静止土压力大小并将其作用在桥台上。
采用我国现行公路桥梁设计规范采用的“m”法来确定桩侧土弹簧单元的刚度。
3）在给定的荷载工况作用下，采用图2所示的用于计算整体式桥台桥梁台后土压力的二维弹簧框架计算模型进行分析计算，得到台后土弹簧对桥台的作用力，将它们与台后作用的静止土压力进行迭加得到台后土压力的合力大小和作用位置；
4）在给定的荷载工况作用下，通过不断调整图3所示的计算整体式桥台桥梁桩基础等代桩长的二维弹簧框架计算模型中桩基础的长度得到该荷载工况下的等代桩长；具体来说，通过不断地调整图3所示的计算模型中桩基础的长度直到采用图3所示的计算模型得到的计算结果与采用图2所示的计算模型得到的计算结果（主梁在桥台处的内力）相等，此时桩基础的长度就是桩基础在该荷载工况下的等代桩长，计算流程如图5所示。
5）将步骤3）计算得到的台后土压力和步骤4）计算得到的等代桩长运用到图1所示的三维框架简化计算模型，即可采用国内现有的桥梁设计软件对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算，包括主梁、桥墩及其基础、桥台及其桩基础、桥台和主梁的接头，计算内容同一般梁桥。这里的桥梁设计软件的例子例如可以是“桥梁博士”或“MIDAS”等，但不限于此。本领域技术人员可以理解，任何适当的桥梁设计软件均可以用在这里对桥台采用桩基础的整体式桥台桥梁进行设计计算。
6）根据步骤5）中的设计计算结果进行施工，依次包括桩基施工，桥台施工，在台顶设置临时支座，在临时支座上架设主梁，浇筑接头混凝土，将主梁和桥台浇注成整体，形成整体式桥台桥梁。
桥台的桩基础施工时在桩顶范围内要求采用比桩身尺寸大1米以上的预钻孔，并在该范围内的桩侧填入松散砂性土，具体范围根据计算结果确定，同时台后采用砂性土回填。
下面对上述提出的三维框架简化计算模型中的桥台与主梁和桩基础的连接处及桥墩与主梁连接处的处理作进一步说明：
1）为模拟主梁与桥台、桥台与桩基础的连接情况，分别采用1cm高的连接单元进行模拟（图6所示），通过调整连接单元的抗弯刚度来模拟连接程度，为了简化桥台模拟，同样也将桥台分解为梁格体系。图6 示出了本发明实施例中提出的桥台与主梁和桩基础连接处的简化模型；其中图6a为立面示意图，图6b为侧面示意图；在图6a中，示出了主梁单元1，桩基础单元2，主梁接头单元64 ，桥台轴线61，主梁形心轴线62，台、梁连接单元63，桩、台连接单元633，和桥台单元7。其中台、梁连接单元63将主梁接头单元64连接在一起，台、梁连接单元63为1cm高。桩、台连接单元633将桩基础单元2和桥台单元7连接在一起，桩、台连接单元633也为1cm高。在图6b中，示出了桩基础单元2，台、梁连接单元63，桥台单元7，桩、台连接单元633，和桥台构造单元67。
2）同样通过连接单元来模拟主梁与桥墩的连接情况（图7所示），可以通过调整连接单元的抗弯刚度来模拟其连接程度。图7示出了主梁与桥墩连接处的简化模型；其中图7a为立面示意图，图7b为侧面示意图。在图7a中，示出了主梁单元1，主梁接头单元64 ，盖梁接头单元74，桥墩轴线71，主梁形心轴线62，墩、梁连接单元73，盖梁单元72和桥墩墩身单元75。其中，墩、梁连接单元73将主梁接头单元64和主梁单元1连接在一起，墩、梁连接单元73为1cm高。在图7b中，示出了主梁单元1，主梁接头单元64 ，墩帽接头单元74，744，墩、梁连接单元73，和盖梁单元72以及桥墩墩身单元75。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
综上所述，即为本发明实施例内容，而显然本发明的实施方式并不仅限于此，其可根据不同应用环境，利用本发明的功能性实现相应的需求。