声屏障基础验算的说明

1/14xx高速xx互通AK1+600-AK2+000声屏障基础抗风稳定及连接件验算的说明一、概况1、声屏障结构参数声屏障高3.0m，纵向每2m一个单元，每4m设置一个Φ1m的挖孔桩基础（桩基长度根据水平承载力计算确定，桩长取8.0m）。声屏障与桩基础间通过高60cm的地系梁（宽度40cm）连接，系梁采用C30混凝土。声屏障立柱采用HW150×150×7×10mm的H型钢，高度3.0m，纵向间距2m；每2延米单元声屏障面积5.88m2，面密度80kg/m2～100kg/m2。路基声屏障示意图2/14桥梁声屏障与护栏底座连接示意图2、土体参数（1）根据《xx互通工程地质勘查报告》，原地表土为软塑黏土，查阅“岩土物理力学试验统计表”，其液性指数IL=0.52，内摩擦角φ=6.8°，凝聚力c=17.6kPa。土体的综合内摩擦角φ0=atan（tan（φ）+c/（h×γ））=30.2°（上式中h=2m，γ偏安全取19kN/m3）。（2）根据土质类别“软塑黏土”查阅《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）表P.0.2-1，软塑黏土的非岩石地基水平向抗力系数m=5000kN/m4～10000kN/m4。由于路基侧为一条排水沟，雨季时路基受水浸泡液性指数变大，本次m值按软塑性黏土取4000kN/m4。基础底面的地基系数m0=7500kN/m4。（3）土体容重对于路基填土γ取19kN/m3，而原地面土体由于地下水水位较高，土体容重采用浮容重γ=9KN/m3。3/143、路基参数路基宽度10.5m，路基横断面组成为75cm（土路肩）+100cm（硬路肩）+2×350cm（行车道）+100cm（硬路肩）+75cm（土路肩）=1050cm。路基边坡坡比1:1.5（路基边坡与水平面夹角为33.7°）。声屏障段落路基高度为2.9m～4.5m。路基填筑采用山皮石，山皮石最大粒径应满足规范对路基填料最大粒径的要求，同时粒径小于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的5%。由于声屏障桩基侧向变形较大，需对路基土体的非岩石地基水平向抗力系数进行折减，本次计算路基部分非岩石地基水平向抗力系数m偏安全取用原地面土体的m值。二、验算原则及内容（一）验算原则依据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）3.1.3条规定，对声屏障桩基础进行整体稳定性、桩顶位移进行验算；对声屏障与基础间连接件进行验算。计算桩顶位移、桩侧土应力采用荷载的标准组合，计算连接件强度采用荷载的承载能力组合。（二）验算内容1、桩基础抗风稳定进行验算（按刚性桩基础验算）。2、立柱、法兰盘、加劲肋、地脚螺栓强度验算。三、验算依据1、交通部部版《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；4/142、交通部部版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；3、交通部部版《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）；4、建设部部版《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）；5、住房和城乡建设部部版《声屏障结构技术标准》（GBT51335-2018）；6、交通运输部部版《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T3334-2018）；7、交通运输部部版《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81-2017）；8、交通部部版《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）；9、交通运输部部版《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）；10、住房和城乡建设部部版《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）。四、荷载计算（取4m声屏障为一个计算单元）依据《声屏障结构技术标准》（GBT51335-2018）规定，声屏障结构设计荷载包括结构自重、风荷载、雪荷载、车致脉动荷载及其它荷载；声屏障的设计荷载应根据使用过程中可能同时作用的荷载进行组合，并按最不利条件进行设计。（一）结构自重计算1、版面：90kg/m2×5.88m2×2=1058.4kg;2、H型钢:80.59kg×2=161.2kg;3、法兰盘、加劲肋:1.41×2+12.12×2+17.03×2=61.1kg;4、系梁:4m×0.6m×0.4×26kN/m3=24.96kN;5/14单根桩顶竖向力P=37.8kN；声屏障单根立柱底反力P1=12.8kN。（二）路基侧桩基土侧压力计算本次计算采用桥梁博士基础模块进行计算，由于边坡上距离桩基边缘4倍桩径以上范围的土体不考虑，而程序内部路基侧土侧压力无法模拟，单独计算土侧压力施加至桩顶。主动土压力系数：o2oa30.2Ktg450.3312（）；土的容重319k/mN；土的主动土压力：2193.20.33120.1/PaHKakNm将土侧压力移至桩顶后的水平力P1=32.2kN。（三）风荷载计算依据《声屏障结构技术标准》（GBT51335-2018）5.2.7条作用在声屏障上的水平侧向风荷载0gzszwkw计算，基本风压按照50年一遇计算。桥梁声屏障风荷载偏安全取路基声屏障风荷载数值。6/14桩顶风荷载Fx=26.5kN，弯矩W=55.7kN.m。系梁顶风荷载Fx1=26.5kN，弯矩W1=39.8kN.m。（四）雪荷载计算考虑声屏障水平向主要荷载为风荷载，当横向风荷载作用时，声屏障上积雪不大，且竖向力不控制，因此本次未计雪荷载。（五）车致脉动荷载计算依据《声屏障结构技术标准》（GB/T51335-2018）5.2.1条规定，活载效应考虑车致脉动荷载。而条文说明中解释为目前车致脉动风压7/14研究相对不足的条件下，规范暂时参考英国铁路声屏障车致脉动风压计算公式，且自然风荷载与车致脉动荷载不同时参与组合。车型设计车速车型系数车辆中心线距声屏障距离车致风压系数空气密度车致脉动荷载（km/h）k1Y（m）Cplρ(kg/m3)P1k（kN/m2）货车8014.250.1431.2544.28客车800.854.250.1431.2537.64轿车800.64.250.1431.2526.57注：车辆中心线距声屏障距离按照外侧车道中心距声屏障距离计算。从上表可以看出，车致风压荷载比50年一遇风荷载大20倍。考虑目前车致脉动风压相关基础数据不足，不宜直接确定脉动力荷载大小。标准中通过对结构变形和疲劳强度限制来确保声屏障整个系统的安全。由于桩基础不存在疲劳问题，并对桩基变形做了限制，因此本8/14次计算暂不考虑车致脉动荷载。五、桩基抗风稳定计算（一）计算假设依据《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T3334-2018）7.4.3条规定，桩基稳定计算时考虑桩前斜坡坡度的影响。桩前滑床宽度达到3-5倍桩径才能作为半无限体锚固条件，本次计算取用4倍桩径，即边坡上距离桩基边缘4倍桩径以上范围的土体（下图阴影范围）不予考虑。（二）刚性桩柔性桩判定9/14桩变形系数α=510.8mbEI=0.348，α×h=0.348×4.8=1.67＜2.5，因此按照刚性桩基础进行计算。（三）桩基抗风稳定计算采用桥梁博士刚性基础模块进行计算。1、按桩基有效嵌入深度4.8m计算,输入数据如下:桩计算宽度b1=1.5m,桩入土深度h=4.8m,桩径d=1.000m,桩面积Ao=2R=0.785m2,桩截面模量Wo=332d=0.098m3。桩抗弯惯距I=464d=0.049m4。桩变形系数α=510.8mbEI=0.348,桩侧土水平向抗力系数m=4000.000,基础底面地基比例系数mo=7500.000,岩石地基比例系数co=5000.000总水平力H=26.5kN+32.2kN=58.7kN,竖向力N=37.8kN,所有水平力对基础底面的弯矩M=26.5kN×（8m-1.5m）+32.2kN×（3.2m/3+4.8m）=361.1kN.m-------------------------------------------------------计算结果:地面以下基础转角:w=0.0030弧度地面至旋转中心的距离yo=3.487m基础底竖直最大应力Smax=101.47KPa基础底竖直最小应力Smin=-5.16KPa墩台顶水平位移:delta=0.0205m10/14基础截面弯矩(KN-m)与侧面土水平压应力(KPa)Y坐标弯矩压应力0.00079.40.00-0.24093.49.23-0.480106.617.10-0.720118.223.60-0.960127.928.74-1.200135.132.51-1.440139.534.92-1.680140.935.96-1.920139.235.64-2.160134.433.95-2.400126.730.90-2.640116.326.48-2.880103.720.70-3.12089.313.56-3.36073.75.04-3.60057.7-4.83-3.84042.1-16.07-4.08027.9-28.68-4.32016.2-42.65-4.5608.2-57.99-4.8005.2-74.69基础底面应力101.5kPa，根据《西新互通工程地质勘查报告》粉质黏土容许承载力为100kPa，不满足要求，需考虑深度修正。依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）3.3.4条规定[fa]=[fa0]+k2×γ2×（h-3）=100kPa+1.5×9kN/m3×11/14（4.8m-3m）=124.3KPa＞101.5KPa，满足要求。2、桩侧土横向容许承载力及桩顶容许变形计算考虑桩基设置在路基边坡上，其受力接近抗滑桩理论，采用《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T3334-2018）7.4.8条计算桩侧土横向容许承载力及桩顶容许变形。1）桩侧土压应力计算h/3位置处横向容许承载力[σh/3]=4×（9kN/m3×3.2m+9kN/m3×4.8m/3）×（cos33.7°）3/cos30.2°=115.1kPa＞36kPa;h位置处横向容许承载力[σh]=4×（9kN/m3×3.2m+9kN/m3×4.8m）×（cos33.7°）3/cos30.2°=191.9kPa＞75kPa;桩侧土压应力满足规范要求。2）桩顶容许变形依据《公路滑坡防治设计规范》（JTG/T3334-2018）7.4.4条规12/14定：桩板墙顶位移应小于桩悬臂端长度的1/100，且不宜大于100mm。本次桩基悬臂端长度为3.2m，则其桩顶位移容许值为3.2cm，设计桩顶变形2.1cm，满足要求。六、连接件计算（一）荷载计算由于声屏障立柱纵向间距2m，且验算连接件承载能力，风荷载考虑重要性系数1.0及组合系数1.4，因此立柱底的风荷载Fx1=26.5/2×1.0×1.4=18.6kN，弯矩Mx=Fx1×h/2=27.8kN.m，竖向力Px=12.8kN。（二）主要构件参数声屏障立柱采用HW150×150×7×10mm的H型钢（几何参数下图），高度3.0m，纵向间距2m；上法兰盘尺寸350×315×14mm，下法兰盘尺寸350×310×20mm；加劲肋尺寸20×70×200×10mm；立柱、法兰盘、加劲板材质为Q235钢。路基声屏障地脚锚栓采用8根M20x600mm强度8.8级高强地脚螺13/14栓预埋于地梁内，螺栓间距25cm。桥梁声屏障锚栓采用4根M20x300mm强度8.8级的化学锚栓，螺栓间距28cm。（三）详细计算过程见附件。七、结论1、计算结果统计见下表位置项目单位设计值容许值富裕度备注路基桩基桩长（m）8h/3处桩侧土应力（kPa）36115.1219.7%h处桩侧土应力75191.9155.9%桩底应力101.5124.322.5%考虑深度修正桩顶变形（cm）2.13.252.4%地脚螺栓锚固承载力（kN）27.863.3127.7%螺栓强度（kN）27.8100259.7%8.8S级螺栓法兰盘抗压强度（MPa）28.3180536.0%立柱抗拉强度（MPa）130.319045.8%Q235钢板厚≤16mm抗剪强度（MPa）