中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070
摘要：PHC管桩具有单桩承载力高、桩身质量可靠、经济性好、施工周期短等优点被广泛应用于工民建领域。随着高铁在国内的迅速发展，桥梁在线路中所占比例不断提高，部分线路可达到90%以上，桩基在铁路工程中的使用量达到前所未有的高度，大直径PHC在铁路桥梁下部结构方向有较好的前景。以连镇铁路桥梁工程为依托，通过确定C80混凝土材料强度指标，对7度区0.1g(0.15g)、8度区0.2g管桩的桩身强度、稳定性及桩身的抗裂性进行相应的设计检算。对后续铁路桥梁PHC管桩桩身配筋设计提供参考。
关键词：铁路桥梁；PHC管桩；配筋；设计；C80
1 概述
PHC管桩具有单桩承载力高、桩身质量可靠、经济性好、施工周期短等优点在工民建领域得到广泛应用。近年来高速铁路在国内发展十分迅速，桥梁在铁路中所占比例不断提高，桩基在工程中的使用量达到前所未有的高度。在华东地区，部分桩基础占桥梁总投资可达25％以上。目前，铁路桩基预制化程度低，仍以钻孔桩为主。针对铁路桥梁受力特点对管桩配筋设计进行研究，对大直径PHC管桩在铁路桥梁领域的推广具有重要意义。
本文研究具体思路为：（1）通过对比分析不同规范对C80混凝土材料计算假定，提出合理的计算公式。（2）以连镇铁路为依托，在7度区0.1g(0.15g)、8度区0.2g不同地震计算桥梁800mm、1000mm、1200mm桩径管桩受力，提取桩身弯矩及轴力的包络，确定合理的有效预压应力。
2 管桩受力特性分析
由于铁路中对于C80混凝土并没有规定相关的材料强度，但在国标混凝土规范中对于C80混凝土材料强度已有明确的规定，但由于两种规范对材料强度计算采用的公式并不相同，具体如下所示：
（1）轴心抗压强度
《铁路桥涵混凝土结构设计规范》TB10092-2017规定：
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（公式1）
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010规定：
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（公式2）
公式2中：换算系数
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对C50及以下取0.76，C80取0.82，中间线性内插；脆性系数
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对C40及以下取1，C80取0.87，中间线性内插。
故二者差值在于换算系数
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、脆性系数
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的取值。因铁路规范混凝土等级仅为C60及以下，对于C80缺乏相应试件数据，仍按现有公式计算，则
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。
（2）轴心抗拉强度
《铁路桥涵混凝土结构设计规范》TB10092-2017规定：
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（公式3）
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010规定：
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（公式4）
对于C80，
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，
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，
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规范取值3.11。
通过对比TB与GB混凝土材料强度取值，C40以下混凝土轴心抗压强度GB与铁路基本一致，高于C40混凝土，GB由于考虑了脆性系数强度略低于铁路规范值。轴心抗拉强度由于二者公式不同，差值较大，GB小于铁路规范值。
（3）受弯抗裂计算
①铁路对于受弯构件抗裂性应满足
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（公式5）
式中管桩铁路抗裂的安全系数取1.4。梁的抗裂系数是1.2，γ=1.75（丰台桥梁厂）。
②《混凝土结构设计规范》GB50010-2010在荷载标准组合下：
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（公式6）
③10G409《预应力混凝土管桩》图集抗裂弯矩
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（公式7）
式中对C60取γ=2.0，对C80取γ=1.9。
三者差异主要在于铁路考虑了安全系数，再者截面抵抗矩塑性影响系数γ的取值。采用不同行业标准对管桩容许应力进行试算，结果如下所示：
表1各公式抗裂弯矩计算结果
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由表1可以看出，当混凝土材料强度采用TB规范值且考虑抗裂安全系数计算的抗裂容许应力值略大于混凝土规范计算值，但小于管桩图集中公式计算值。若混凝土材料强度采用GB规范值，考虑抗裂安全系数时，抗裂容许应力最小。综合考虑后，管桩抗裂计算对于运营状态下采用混凝土规范GB规范C80混凝土强度，安全系数按1.4考虑。
3管桩有效预压应力及配筋
根据《先张法预应力混凝土管桩》（GB13476-2009）的要求：预应力钢筋应沿其圆周均匀分布，最小配筋率不得低于0.5%，并不得少于6根，间距允许偏差为正负5mm。
在管桩承载能力计算中轴力安全系数取3.0，抗弯安全系数取2.2，抗裂安全系数取1.4。在桥梁规范中地震力控制工况下允许材料应力有一定的提升，对管桩自身承载能力N-M曲线，在主+地震力工况下材料性能取1.5的修正系数。计算7度区0.1g(0.15g)、8度区0.2g不同地震参数影响，提取外径800mm、1000mm、1200mm的4MPa桩身强度弯矩及轴力的包络。
图中圆点为主力作用下的点，三角点为地震作用组合下的点，相应的N-M曲线及包络图如下所示：
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图1弯矩及轴力的包络图
根据图1对于0.8m、1.0m、1.2m桩径管桩按4MPa有效预压应力进行配筋后，可满足ZK活载主力、主+附工况下的要求。在考虑材料修正系数的情况下，4Mpa有效预压应力配筋可基本满足ZK活载、8度区地震力工况作用下的要求。
4结论
（1）在铁路桥梁管桩承载能力计算中轴力安全系数取3.0，抗弯安全系数取2.2，抗裂安全系数取1.4。
（2）4Mpa有效预压应力配筋可基本满足ZK活载7度区、8度区地震力工况作用下的要求；如采用打入法沉桩时，预应力管桩4.0MPa的有效预压应力，打桩时桩身混凝土一般不会出现横向裂缝，所以打入法工程桩取6MPa的有效预压应力。
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