鋼吊箱封底施工及數(shù)值模擬分析的探討

李賀才 （合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230022）

1 工程概況

大橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮體系組合梁斜拉橋，主塔墩位于長江深水區(qū)，基礎(chǔ)為32根3m直徑的鉆孔灌注樁，樁長42m，按端承樁設(shè)計。承臺為切除四角的矩形，平面尺寸為47m×25m，厚8m。承臺底標(biāo)高-1.0m，頂標(biāo)高+7.0m，下設(shè)2.6m厚封底混凝土。吊箱內(nèi)輪廓尺寸為47.03m×25.03m，外輪廓尺寸為50.03m×28.03m，壁體厚度1.5m，壁體總高度20.1m。

2 封底混凝土施工控制措施

2.1 封底混凝土密封構(gòu)造措施

鋼吊箱作為承臺施工擋水結(jié)構(gòu)物，其關(guān)鍵功能之一就是封底施工完畢后，抽出吊箱內(nèi)積水，為承臺提供干施環(huán)境，保證承臺施工期間不發(fā)生滲水。本項(xiàng)目主要控制措施如下。

2.1.1 鋼吊箱內(nèi)壁增設(shè)止水角鋼

為確保封底混凝土與鋼吊箱內(nèi)壁緊密貼合，鋼吊箱設(shè)計時，在封底混凝土范圍內(nèi)設(shè)置兩道止水角鋼，沿鋼吊箱內(nèi)壁四周與壁體進(jìn)行滿焊。角鋼布設(shè)方式為一邊與內(nèi)壁焊接，另一邊朝上，有利于混凝土澆筑時排出水和氣泡。

2.1.2 鋼護(hù)筒增設(shè)剪力筋

封底混凝土范圍內(nèi)，在鋼護(hù)筒周圍等間距設(shè)置直徑為25mm的螺旋筋，間距10cm，與鋼護(hù)筒間斷焊接，螺旋筋的設(shè)置增強(qiáng)了封底混凝土與鋼護(hù)筒之間的粘結(jié)力。

2.2 封底混凝土澆筑

封底混凝土澆筑采用中心集料斗、多導(dǎo)管、從中間向兩端逐步推進(jìn)的封底施工工藝，一次封底成型。

為防止漏漿，保證混凝土澆筑質(zhì)量，封底混凝土澆筑前，安排潛水員水下檢查鋼吊箱底板與護(hù)筒間的封閉措施，并對鋼吊箱底板、內(nèi)壁及鋼護(hù)筒外壁進(jìn)行清理和除銹處理。

3 封底混凝土數(shù)值模擬分析

3.1 封底混凝土與鋼護(hù)筒間粘結(jié)滑移分析

鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力由三部分組成，即化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力、摩擦力。在鋼管與混凝土滑動之前，機(jī)械咬合力起著很大的作用，發(fā)生滑動后，界面剪切力主要取決于摩擦力，當(dāng)鋼管銹蝕嚴(yán)重，表面有深度凹痕時，機(jī)械咬合力很大，當(dāng)相對滑移較大時，機(jī)械咬合力發(fā)生破壞，界面粘結(jié)力將由鋼管與混凝土之間的摩擦力和殘余的機(jī)械咬合力負(fù)擔(dān)[1]。若界面抗剪粘結(jié)力應(yīng)力沿鋼管混凝土界面均勻分布，在推出試驗(yàn)中鋼管縱向應(yīng)變沿長度方向基本呈三角形分布，可認(rèn)為界面抗剪粘結(jié)力沿鋼-混凝土界面均勻分布是合理的，粘結(jié)應(yīng)力沿鋼管在一定范圍內(nèi)呈三角形分布[2]。文獻(xiàn)[3]使用有限元分析程序?qū)︿摴?混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力分布的分析結(jié)果，當(dāng)界面沒有滑移時，粘結(jié)應(yīng)力呈指數(shù)分布。粘結(jié)應(yīng)力在加載端設(shè)置最大，到約d/2處為0，分析表明，粘結(jié)應(yīng)力的需求集中于一定的局部區(qū)域，而且如果界面的滑移被阻止，鋼管與混凝土間不平衡力必然在一個較短的長度內(nèi)重新分配完畢。

以上分析，國內(nèi)外學(xué)者已做大量試驗(yàn)研究粘結(jié)強(qiáng)度，但尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而鋼護(hù)筒與混凝土間的粘結(jié)滑移相關(guān)試驗(yàn)研究較少，可參考的成果有限。本文參考文獻(xiàn)[4]中所采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，借鑒文獻(xiàn)[5]給出的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，建立有限元數(shù)值模型，分析鋼護(hù)筒與混凝土之間的相互作用。

以往試驗(yàn)研究表明，鋼管混凝土荷載-滑移曲線大多出現(xiàn)峰值荷載點(diǎn)及隨后的下降段，當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力小于粘結(jié)強(qiáng)度時，粘結(jié)應(yīng)力與滑移呈線性關(guān)系，當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力大于粘結(jié)強(qiáng)度后，滑移大幅度發(fā)展，曲線迅速下滑，由于缺少下降段曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以在粘結(jié)滑移本構(gòu)模型中以兩段折現(xiàn)近似模擬，如圖1所示[5]。

圖1 粘結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)模型示意圖

從文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第一層位移桿發(fā)生明顯變化時，荷載為791.3kN，接觸面積為0.646m2，第三層位移桿發(fā)生明顯變化時，荷載為972.14kN，接觸面積為1.54m2。文獻(xiàn)[1、2]表明，界面沒有滑移時，粘結(jié)應(yīng)力的需求集中于一定的局部區(qū)域，并在一定范圍內(nèi)呈三角形分布。本文選用大型有限元軟件ansys，建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檩S對稱結(jié)構(gòu)，所以鋼護(hù)筒與混凝土均采用plane42軸對稱平面單元，鋼護(hù)筒混凝土之間的粘結(jié)滑移采用非線性彈簧單元combination39進(jìn)行模擬。該單元具有很大的功能，通過定義F-D曲線，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的荷載-位移非線性關(guān)系。經(jīng)過合理的建模，并對模型進(jìn)行加載求解，得到混凝土滑移隨加載量變化的關(guān)系曲線，如圖2所示，極限狀態(tài)粘結(jié)力約為1000kN，水平殘余狀態(tài)粘結(jié)力約為320kN，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這表明，鋼護(hù)筒與混凝土間的粘結(jié)滑移力學(xué)性能分析采用此計算模型是合理的。

3.2 剪力筋對封底混凝土的作用

由于鋼護(hù)筒周邊鋼筋（以下簡稱剪力筋）嵌固于混凝土中，可認(rèn)為兩者協(xié)同變形，ansys軟件通過耦合節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過計算，隨荷載的變化，混凝土滑移量基本呈線性關(guān)系，且同樣滑移量的情況下，設(shè)置剪力筋的荷載要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無剪力筋的荷載。這說明，剪力筋的作用大大提高了鋼護(hù)筒混凝土界面的抗剪能力，分擔(dān)了大部分剪切力。但是，當(dāng)荷載增加到一定程度，此時剪力筋對混凝土的擠壓，會造成混凝土的局部損壞。

4 結(jié)論

①鋼吊箱圍堰封底混凝土施工，為取得良好效果，在鋼吊箱設(shè)計階段，可以采用鋼吊箱內(nèi)壁增設(shè)封閉角鋼，以及鋼護(hù)筒增設(shè)剪力筋的形式來實(shí)現(xiàn)封閉止水和增強(qiáng)連接強(qiáng)度的作用。

圖2 鋼護(hù)筒混凝土荷載-滑移變化曲線

②通過非線性彈簧單元combination39進(jìn)行模擬鋼護(hù)筒混凝土界面粘結(jié)滑移性能較合理，在取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以調(diào)整相關(guān)參數(shù)，達(dá)到數(shù)值分析的目的。

③封底混凝土范圍內(nèi)增設(shè)剪力筋能夠大大提高粘結(jié)強(qiáng)度，剪力筋布置間距及根數(shù)需要進(jìn)行合理設(shè)計，盡量控制混凝土與鋼護(hù)筒產(chǎn)生分離。