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钢筋混凝土桩式地锚构造及计算理论
郝宪武　周　谦　郭　梅
摘要：对缆索吊装架桥设备中地锚的受力、施工等方面进行了分析。针对吊重较大，索力倾角偏大，在一定的土体地质条件下，提出桩式钢筋混凝土地锚的结构形式及设计计算方法。
关键词：钢筋混凝土；桩式；地锚
中图分类号：U443.24　　　文献标识码：A
Design and Calculation of the Reinforced Concrete
Piles-supported Ground Anchor
HAO Xian-wu1, ZHOU Qian2， GUO Mei1
（1.College of Highway Engineering, Xi'an Highway University, Xi'an 710064；
2.Highway Management Department of Liaoning Province, Shenyang 110005)
Abstract: This paper analyzed the force and construction of the ground anchor of suspension cable crane equitment used for building bridge. A type of structure and theory calculation method of the anchor is presented on the condition of heavy load sharp angle of the cable force and ground.
Key words: reinforced concrete; piles-supported; ground anchor
　　缆索架桥设备由于具有跨越能力大，水平和垂直运输机动灵活、适应性广、施工也比较稳妥方便等优点，因而在修建公路拱桥时较多采用这种施工方法。缆索地锚是用于锚固各种主索、缆风、起重索、绞车及卷扬机等重要部件。地锚的可靠性对缆索吊装的安全性具有决定作用。
　　近年来随着中国经济建设的需要，各种大跨度拱桥的建设，要求起吊的重量相应增大，使缆索地锚承受荷载相应提高。尤其在地理位置受到限制时，索力倾角相应增大，使常规的地锚(立式或卧式)[1]均不能满足其受力和使用的要求。本文通过结构受力、施工等方面分析，提出新型地锚结构形式，即桩式钢筋混凝土地锚，并给出其设计计算理论，供有关设计人员参考。
1　钢筋混凝土桩式地锚的构造型式
　　众所周知，地锚承受通过塔架的各种索力，如图1所示。其索力可分解为垂直竖向上拔力和水平拉力。当索力较小时，可采用图1所示立式地锚来承受。这种地锚受力明确，构造简单，主索安装调整方便。但竖向上拔力主要依靠立柱与横挡的摩阻力抵抗，且上横挡反力较大，当土质较差时，可增大横挡尺寸、整体受力分布不均匀，没有充分利用土体与柱的摩阻作用，横挡的自重不参与平衡上拔力。从而增大了工程材料用量，施工开挖量较大，增大了施工费用。

图1　立式地锚构造及受力图式
　　卧式地锚构造和受力图式如图2所示。该种地锚的索的垂直分力由地垅上覆土体有效土重、地垅自重和地垅与挡板间的摩阻力来平衡，抗拔能力较立式地锚好。当地形受限时，锚索的水平倾角增大。为避免索的垂直分力引起较大的土体固结变位，要求回填土夯实。水平分力由坑壁土体的侧向抗压承载力抵抗。当土质较差时需增大挡板面积，挡板重力不参与抵抗上拔力。当索力较大时，需增大开挖量。施工过程中，工序复杂，调索困难。增大了工程费用。

图2　卧式地锚构造及受力图式
　　钢筋混凝土桩式地锚，是为分析上述两种地锚的特点而提出的。索的垂直分力主要由自重及挖孔灌注桩与土体间的摩阻力平衡。索的水平分力由桩与横梁上作用的土体侧向抗力平衡。水平分力的作用产生的偏转力矩，由横梁的抗扭力矩和桩侧部分抗力与横梁侧抗力组成的力矩平衡。横梁上设置羊角用于锚固各种索绳，便于索力调整。其构造形式如图3所示。

图3　钢筋混凝土桩式地锚构造
2　钢筋混凝土桩式地锚设计计算理论
　　钢筋混凝土桩式地锚受力图式如图3所示。地锚作用的索力T可分解为垂直力T2和水平力T1。
2.1　垂直力抗力的计算及验算
　　当受索的垂直分力T2作用时，地锚上作用有拔力，从而地锚与土体之间产生摩阻力，合力用F表示，同时地锚自重也可平衡一部分上拔力，受力图式如图4所示。则抵抗力的计算公式为
　　　　　　　　　　　　(1)

图4　垂直分力作用时地锚的受力图式
式中：V为地锚抗拔力；n为桩数量；f1、f2分别为桩、横梁与土体之间的摩阻系数[2]；r为钢筋混凝土的容重；B、h、b分别为横梁的长、宽、高；d、d1分别为桩经和羊角直径；H为地锚自面至桩底高度；B、l1为羊角高度。
　　因而垂直力验算公式可表示为
K=V/T2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
式中：K为安全系数(取K=2)；T2为索的垂直分力。
2.2　水平抗力的计算及验算
　　通常地锚基桩埋深较浅，当水平力作用时，桩柱与地基土的刚度比较大，可按刚性桩计算。即水平力作用时，桩柱轴线绕某点A偏转角θ，其变形图式如图5(a)所示。这时沿竖向任一点z处的水平位移为

图5　水平分力作用时地锚受力图式
Δx=(z0-z)tgθ　　　　　　　　　　　　　　　(3)
则桩侧土应力为
　　　　　　　　　　　(4)
式中：cZ、cH分别为相应深度z和H处桩侧面土的地基系数。
　　桩底由轴线偏转θ角时，基底应力σ0=c0δ0，由于基底桩截面惯矩较横梁惯矩小略去不计，这里仅考虑横底由轴线偏转θ时的基底应力,即
　　　　　　　　　　　　　(5)
式中：ch为横梁底土的地基系数；b为横梁底的宽度；δ1为横梁边缘偏转位移。
　　由以上分析，根据力的平衡条件可得
　　　　　　　　　　(6)
　　　　　　　(7)
式中：b1为桩基计算宽度；W为横梁底面抵抗惯矩；其它符号意义同前。
　　联立式(6)和式(7)可求得
　　　　　　　　　(8)
　　　　　　　　　(9)
式中：为基底处侧面土的地基系与横梁底面土地基系数之比。
2.3　地基应力验算
　　　　　　　　　　　　　　(10)
　　　　　　　　　　　　　　　　(11)
式中：[σz]为桩侧土体的允许应力[3]；[σ]为横梁底面土体允许应力 。
2.4　基桩的最大弯矩计算
　　　　　　　　　　　(12)
由，可求得最大弯矩所对应的z1值，即
　　　　　　　　　　　(13)
则
　　　　　　　　　　(14)
由此，可按《规范》计算基桩的配筋。
2.5　横梁内力计算
　　横梁可按具体结构形式，可简化成土压力作用下的悬臂梁或连续梁进行内力计算，在此不再赘述。
3　结　语
　　本文仅对钢筋混凝土桩式地锚的构造形式及受力状况作出分析。限于目前尚未见到这种变截面(或考虑横梁)刚性桩基础的计算理论，故系统地推导了设计计算公式及验算、配筋的计算方法。虽然计算公式较为繁难，但对于这种地锚而言横梁抗力是不可忽略的。
　　通过前述分析，这种新型地锚与立式地锚相比较，吸收其易调索的优点，改善了立式地锚受力不均匀的不足，较大地发挥了地锚的抗拔力及抗水平推力，且开挖量较小，施工简便。而与卧式地锚相比较，该地锚较其调索容易，开挖工程量更小，且无需设置挡板及盖板等构造，受力较卧式地锚合理，尤其地形受限时，不会受埋深而改变索力的倾角。由此可见，本文所提出的地锚结构与常用地锚相比具有下述特点：
　　(1)受力合理，施工方便；
　　(2)综合工程造价较低(限于篇幅不能对此进行实例经济比较)，但由上述分析可见，降低工程造价是毫无疑问的；
　　(3)与前述两种地锚相比，设计计算工作量较大，计算难度也大些。但对计算机普及的今天，不会造成多大的因难。
作者单位：郝宪武　郭　梅(西安公路交通大学　公路工程学院，西安　710064，第1作者副教授)
　　　　　周　谦(辽宁省公路管理局，沈阳　110005)
参考文献:
　[1]段良策.简易架空缆索吊[M].北京：人民交通出版社，1986.
　[2]杨克已，韩安理.桩基工程[M].北京：人民交通出版社，1990.
　[3]公路设计手册.墩台和基础[M].北京：人民交通出版社，1987.