樁土效應(yīng)對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的受力影響分析

張緒林， 肖光清

(1.永州市城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 永州　425000；2.廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心， 廣東 廣州　510500)

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樁土效應(yīng)對(duì)矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的受力影響分析

張緒林1， 肖光清2

(1.永州市城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 永州425000；2.廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心， 廣東 廣州510500)

摘要：群樁的柔度直接影響著矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)的抗推剛度，對(duì)樁基邊界的模擬要涉及樁土效應(yīng)問(wèn)題。采用m法模擬樁周土的作用，建立了計(jì)算實(shí)例的整體計(jì)算模型，并提出了改善矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的受力措施，計(jì)算結(jié)果表明，考慮樁土效應(yīng)能有效的改善橋墩結(jié)構(gòu)的受力。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋； 矮墩； 受力分析； m法； 樁土效應(yīng)

0引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋以其受力性能好、跨越能力大、橋面行車平順、經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)勢(shì)成為目前大跨橋梁主要采用的結(jié)構(gòu)體系之一。通常連續(xù)剛構(gòu)橋的墩都較高，它主要是利用高墩的柔度來(lái)適應(yīng)預(yù)應(yīng)力、溫度荷載和混凝土徐變收縮引起的梁體變形，減小橋墩對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固作用，使得結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，墩臺(tái)基本處于無(wú)推力的狀態(tài)[1]。但在一些市政、跨湖工程中，由于受線形、地質(zhì)等客觀因素的影響，需要把結(jié)構(gòu)做成矮墩連續(xù)剛構(gòu)體系，隨著墩高度的降低，墩的抗推剛度將增大，但墩身內(nèi)力和基礎(chǔ)受力過(guò)大，強(qiáng)度驗(yàn)算難以通過(guò)[2]。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常以增加基礎(chǔ)規(guī)模的方法，利用群樁柔度的有利作用來(lái)減小對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利的影響。

為精確求解矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的變形和內(nèi)力，計(jì)算時(shí)往往需要建立全橋的整體計(jì)算模型，即包含上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)與地基的共同作用(樁土效應(yīng))。本文運(yùn)用有限元軟件建立了某矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的整體計(jì)算模型，用m法模擬樁周土的作用，著重分析了樁土效應(yīng)對(duì)大跨度矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的受力影響。

1m法分析樁土效應(yīng)

對(duì)樁基邊界條件進(jìn)行精確模擬要涉及樁土共同作用問(wèn)題，若不考慮樁土共同作用的非彈性問(wèn)題，而僅將樁周土的作用看成線彈性土彈簧，則可用規(guī)范中的“m法”解決[3]。采用m法分析樁土作用時(shí)，可按以下步驟進(jìn)行： ①將樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的土層分層，計(jì)算每層土的彈簧剛度系數(shù)； ②合理劃分樁單元，確保每層土的中間位置有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，便于邊界條件的施加； ③在樁身節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置水平土彈簧。

在有限元軟件計(jì)算過(guò)程中，通常會(huì)用梁?jiǎn)卧M樁，而用土彈簧模擬樁周土的作用的方法進(jìn)行樁土效應(yīng)分析。土彈簧可用Midas Civil程序中的節(jié)點(diǎn)彈性支承或一般連接單元來(lái)模擬，其剛度可根據(jù)土體的參數(shù)來(lái)計(jì)算，或者由樁所受荷載與樁發(fā)生的相對(duì)位移的計(jì)算關(guān)系獲得。

1.1土彈簧的水平剛度系數(shù)計(jì)算

各層土對(duì)樁的水平剛度系數(shù)可按照樁所環(huán)繞的等效體積來(lái)計(jì)算：

第1層土水平剛度系數(shù)：

(1)

第2層土水平剛度系數(shù)：

(2)

第n層土水平剛度系數(shù)：

(3)

式中：b0為樁的計(jì)算寬度；hn為第n層土層厚度；mn為第n層土的比例系數(shù)，由試驗(yàn)實(shí)測(cè)值獲得，如無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，可按規(guī)范采用。

1.2土彈簧的豎向剛度系數(shù)計(jì)算

土彈簧的豎向剛度系數(shù)通常是由樁的豎向極限承載力和樁與土的相對(duì)位移之間的計(jì)算關(guān)系近似得到，但實(shí)際確定起來(lái)較為繁瑣，影響因素較多，且大多數(shù)情況下我們只關(guān)心樁頂?shù)乃轿灰疲酝ㄟ^(guò)將樁底固結(jié)或在樁底施加一個(gè)彈簧的方法簡(jiǎn)化處理，其剛度系數(shù)等于豎向承載力除以豎向相對(duì)位移(摩擦樁沒(méi)有計(jì)算的情況下，一般取6 mm左右)[4]。這種簡(jiǎn)化處理，一般情況較為合理，且能符合實(shí)際要求。

2樁土效應(yīng)的有限元分析

2.1工程概況

本文以一座跨徑布置為(110+195+110)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，該橋上部結(jié)構(gòu)分幅布置，每幅均為單箱單室箱型截面，箱梁頂?shù)装寰O(shè)有3%的單向橫坡。截面梁高由箱梁根部的11.5 m按2次拋物線變化至跨中的4.0 m；單幅箱梁頂板寬16.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段厚度為30 cm，根部加厚到50 cm；底板寬8.4 m，厚度由箱梁根部的120 cm按2次拋物線變化至跨中的32 cm；腹板厚度由箱梁根部的120 cm變化至跨中的55 cm。主梁采用C55混凝土、三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，主橋橋型布置圖見圖1所示。

圖1　主橋橋型布置示意圖(高程單位： m，其余單位： cm)

下部結(jié)構(gòu)主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁和整體式承臺(tái)，樁基布置為18根樁徑2.8～2.5 m的變直徑鉆孔樁，樁間凈距為2.8 m。過(guò)渡墩采用分離式承臺(tái)，單個(gè)承臺(tái)下布置4根直徑2.0 m的鉆孔樁，樁間凈距為2.2 m。主墩墩身、承臺(tái)和樁基分別采用C50、C40、C30混凝土，過(guò)渡墩墩身、承臺(tái)和樁基均采用C30混凝土。

2.2計(jì)算模型及相關(guān)計(jì)算參數(shù)

為分析樁土效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，本文采用Midas Civil軟件分別建立了考慮樁土效應(yīng)和不考慮樁土效應(yīng)兩種有限元模型，如圖2所示。全橋結(jié)構(gòu)均模擬為空間梁?jiǎn)卧?，最大模型?09個(gè)節(jié)點(diǎn)，676個(gè)單元，其中樁基單元520個(gè)。本文對(duì)計(jì)算坐標(biāo)做如下規(guī)定：主橋順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎直向?yàn)閆軸。

圖2　有限元模型

成橋時(shí)，有限元模型邊界條件如下：上部結(jié)構(gòu)采用墩梁剛性連接，兩邊支點(diǎn)只約束豎向位移模擬。考慮樁土效應(yīng)時(shí)，根據(jù)各樁基所在的工程地質(zhì)條件和基礎(chǔ)平面形狀(如表1所示)，采用m法模擬群樁邊界；不考慮樁土效應(yīng)時(shí)，在墩底約束全部自由度。

2.3計(jì)算結(jié)果與分析

兩有限元模型的主墩和主梁關(guān)鍵截面在最不利荷載組合作用下(恒載+活載+溫度)的受力情況如表2、表3所示。

由表2、表3計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知：

1) 考慮樁土效應(yīng)時(shí)，除外側(cè)墩的軸力偏大外，主墩墩頂、墩底、承臺(tái)底的內(nèi)力和應(yīng)力數(shù)值均有較大幅度的減小，其中以彎矩的減小幅度最為明顯，最大減小幅度達(dá)到95%，有利于改善橋墩的受力；不考慮樁土效應(yīng)時(shí)，主墩墩頂上緣和墩底下緣均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，最大值達(dá)到12.6 MPa，超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度值，容易引起混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的受力性能。

表1 土彈簧剛度計(jì)算基本參數(shù)m土體類型樁基在各土層間的長(zhǎng)度順橋向樁基計(jì)算寬度b0橫橋向樁基計(jì)算寬度b0過(guò)渡墩主墩過(guò)渡墩主墩過(guò)渡墩主墩粉質(zhì)粘土104淤泥質(zhì)粘土1010粉砂811中風(fēng)化花崗巖12202.062.41(2.35)2.142.41(2.35) 注:括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為變直徑2.5m時(shí)所對(duì)應(yīng)數(shù)值,m值由試驗(yàn)實(shí)測(cè)值獲得。

表2 最不利組合下主墩關(guān)鍵截面內(nèi)力和應(yīng)力比較項(xiàng)目?jī)?nèi)力應(yīng)力/MPaNmax/kNNmin/kNQmax/kNQmin/kNMmax/(kN·m)Mmin/(kN·m)上緣下緣外側(cè)墩頂未計(jì)樁土效應(yīng)-25922-49320-10916-14111-84414-11356911.80-11.80計(jì)樁土效應(yīng)-60794-84218-2955-5439-23612-474061.85-5.94外側(cè)墩底未計(jì)樁土效應(yīng)-34653-58050-10916-1411112114898893-14.0012.60計(jì)樁土效應(yīng)-69524-92949-2955-54394274626658-6.771.05內(nèi)側(cè)墩頂未計(jì)樁土效應(yīng)-89832-113937-8352-11657-62857-928047.04-13.30計(jì)樁土效應(yīng)-54451-78810-473-3074-2915-276270.74-4.17內(nèi)側(cè)墩底未計(jì)樁土效應(yīng)-98562-122668-8352-1165710103677916-15.407.55計(jì)樁土效應(yīng)-63181-87540-473-3074232286199-4.81-0.30承臺(tái)底未計(jì)樁土效應(yīng)-205432-212823-19269-25734841431715496-1.820.41計(jì)樁土效應(yīng)-205047-212509-3429-848417281771321-0.90-0.55 注:表中應(yīng)力欄中,“-”為壓應(yīng)力,“+”為拉應(yīng)力,下同。

2) 考慮樁土效應(yīng)時(shí)，兩雙肢薄壁墩的軸力差較小，外側(cè)墩軸力要比內(nèi)側(cè)墩大，外側(cè)與內(nèi)側(cè)的軸力比最大為1.12；不考慮樁土效應(yīng)時(shí)，兩雙肢薄壁墩的軸力差較大，內(nèi)側(cè)墩軸力比外側(cè)墩大，內(nèi)側(cè)與外側(cè)的最大軸力比達(dá)到3.47。過(guò)大的軸力差將產(chǎn)生類似于降溫荷載工況相同的效應(yīng)，使得主墩墩頂產(chǎn)生向跨中的水平和轉(zhuǎn)角位移，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生極為不利的影響。

3) 考慮樁土效應(yīng)和不考慮樁土效應(yīng)兩者所獲得的主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相差較小，最大差值為1.02 MPa，說(shuō)明樁土效應(yīng)對(duì)主梁的內(nèi)力影響不大。

3結(jié)論

1) 將土看成土彈簧，用m法分析樁土效應(yīng)，能真實(shí)全面的反映樁土共同作用問(wèn)題，精確求解結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力情況。

2) 計(jì)算結(jié)果表明，考慮樁土效應(yīng)能有效的改善橋墩結(jié)構(gòu)的受力，但對(duì)主梁的內(nèi)力影響不大。在進(jìn)行矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算中，有必要建立包含樁土效應(yīng)在內(nèi)的整體計(jì)算模型，合理考慮群樁柔度的有利作用。

3) 矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋受力不合理性主要表現(xiàn)在主墩墩身和基礎(chǔ)受力過(guò)大這兩個(gè)方面，建議設(shè)計(jì)時(shí)合理增加基礎(chǔ)的規(guī)模，利用群樁柔度的有利作用來(lái)滿足結(jié)構(gòu)受力的需要。

參考文獻(xiàn)：

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0140-03

收稿日期:2016-02-19

作者簡(jiǎn)介:張緒林( 1986-) ，男，工程師，主要從事路橋隧道檢測(cè)。

中圖分類號(hào)：U 448.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A