葛欣
(中鐵二局第三工程有限公司, 四川 成都 610031)
為滿足集中化、規(guī)?;皹藴驶┕ば枨?,預制梁場的建設在橋梁工程中很大程度上得到了推廣,其基礎設計成為了預制梁場生產的關鍵,但目前工程人員對梁場基礎設計未引起足夠重視,對其受力及變形特性還不很清楚。因此,分析預制梁場基礎受力具有重要工程指導意義。
李聞[1]通過對存梁臺座的設計研究,介紹了臺座基礎的設計原則及方法。戴必輝等[2]通過不同的計算方法同現場實測存梁臺座沉降數據對比,找到了適合沉降計算的方法及參數取值。白國遠[3]對制梁、存梁臺座和附屬結構進行基礎計算和沉降計算分析,為預制梁場設計及施工提供了參考。李勝華[4]對制存梁臺座基礎沉降計算及其結果進行了研究,為地基處理提供了依據。杜勇[5]對雙層存梁的存梁臺座進行了沉降觀測,為安全施工提供指導。
綜上可知,上述學者對預制梁場臺座基礎受力、變形及土體沉降缺乏系統(tǒng)的研究,且多停留在簡化的手動計算上,往往較難反映現場實際模型。本文結合公路工程實例,對制梁臺座基礎進行設計計算,最后通過有限元軟件abaqus對存梁臺座基礎受力及變形進行三維建模分析,所得結果可為工程實踐提供參考。
本工程為普安縣城至縣城東區(qū)旅游快速通道工程,起訖里程為 K0+400~K10+936.804,路線全長10.54 km,包含中橋1座,大橋8座。預制梁場長×寬為220 m×50 m,主要分為制梁區(qū)、存梁區(qū)、運梁區(qū)、鋼筋加工場等,配置10 t龍門吊2臺,80 t龍門吊4臺,龍門吊跨徑均為18 m。
預制T梁跨徑30 m,共計608片,單片最大自重76 t,中梁頂寬1.7 m,底寬0.5 m,高2.0 m;邊梁頂寬1.98 m,底寬0.5 m,高2.0 m。
在18 m的龍門架內布設4個長30.6 m的制梁臺座,縱向相鄰臺座邊緣相距5 m,兩側臺座中心距龍門吊軌道墻中線3.0 m,相鄰臺座中心距4.0 m。如圖1所示:
圖1 制梁區(qū)斷面圖(單位:m)
制梁臺座兩端設C30砼擴大基礎,長×寬×高為2 m×2 m×0.6 m。T梁張拉后,梁體中間向上起拱,其自重由兩端擴大基礎承擔,每端承重38 t。擴大基礎自重2 m×2 m×0.6 m×25 kN/m3=60 kN,忽略基礎坑壁對基礎向上的摩阻力,按保守計算原則,則基底壓應力P=(380+60)/(2×2)=110 kPa<250 kPa,滿足地基設計承載力的要求。
選擇基礎材料:采用C30混凝土(ft=1.43 N/mm2),鋼筋fy=360 N/mm2,并設置150 mm厚的C20混凝土墊層,每邊伸出100 mm。存梁臺座基礎平面及剖面圖如圖2所示。
基礎抗沖切及抗彎驗算采用基本組合的設計值,對由永久荷載效應控制的組合,恒載分項系數取1.35,則擴大基礎一端受力N=1.35×380=513 kN,換算為線荷載,F=513/2=256.5 kN/m,基礎凈反力:Pj=F/b=256.5/2=128.25 kPa。
圖2 基礎平面及剖面圖
基礎高度為 0.6 m,保護層厚度取 as=50 mm,基礎有效高度h0=h-as=600-50=550 mm,Ⅰ-Ⅰ截面剪力:
抗剪承載力:
抗剪承載力滿足要求。
Ⅰ-Ⅰ截面控制彎矩:
根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》[6]8.2.1條,基礎配筋率不應小于0.15%,因此縱向受力鋼筋構造配筋的面積:As.min=1000×600×0.15%=900 mm2>203 mm2,取As=900 mm2,每延米配筋5根φ16@200 mm,實配As=1005 mm2>900 mm2,分布鋼筋選φ10@250 mm。
為使T梁自重較均勻傳至制梁臺座,臺座面板采用5mm厚不銹鋼板,棱角采用角鋼包邊?;A按計算及構造配筋見圖3。
圖3 基礎配筋圖
存梁區(qū)共布置7個臺座。有限元計算模型為三維實體模型,如圖4所示。條形基礎長L=17.5 m,寬度b=3.6 m,埋深d=0.8 m為忽略邊界條件對模型計算結果的影響,取土體尺寸為35 m×20 m×15 m(長×寬×高)。土的側向邊界限制水平位移,底面邊界限制豎向及水平位移。由于鋼筋混凝土基礎相對土體剛度較大,因此基礎采用理想線彈性模型,土體采用摩爾庫倫模型。
圖4 有限元模型
合理設置基礎-土界面接觸屬性是采用有限元方法分析基礎-土相互作用的前提。本文采用面對面的離散方法,以剛度較大的基礎作為主控面,土體為從屬面。接觸跟蹤方法采用有限滑動方法,允許基礎-土界面產生較大的相對滑移和轉動?;A與側面土體接觸面的法向模型采用硬接觸,摩擦模型采用罰摩擦計算方法,通過反復演算取基礎-土界面摩擦系數μ=0.4?;着c基底土接觸采用tie連接?;A與土體均采用C3D8R單元,以遠離基礎的土體網格劃分較疏,而鄰近基礎的土體網格劃分較密為原則進行網格劃分。
1.3 m深度范圍進行碎石土換填,基礎采用C30混凝土,彈性模量E=30 GPa,泊松比ν=0.2,密度ρ=2500 kg/m3,通過現場地質勘查,土層分布及土體參數見圖5。
圖5 地質剖面及土體參數
根據已有學者經驗,土體彈性模量取為壓縮模量的 3~5倍,碎石土彈性模量E1=305 MPa,泊松比1ν=0.2,粉質黏土彈性模量E2=41.5 MPa,泊松比2ν=0.3。
3.2.1 應力云圖、等值線圖
圖6為基礎mises應力云圖,可以看出,應力分布中間大、兩端小,最大應力3699 kPa,最小應力45.1 kPa。地面上臺座局部壓應力較大,而地面下基礎壓應力較小。
圖6 Mises應力云圖
圖7為基礎及表層土體沉降等值線圖,可以看出,基礎較周圍土體的沉降大,且基礎最大沉降發(fā)生于基礎中線橫截面處,為19.1 mm。土體沉降等值線以基礎為中心呈橢圓形分布,距基礎中心越遠,沉降等值線值非線性遞減。
圖7 沉降等值線
圖8為基礎中線縱斷面上土體沉降及豎向應力等值線圖。從圖8(a)可以看出,臨近基礎土體沉降較大,最大值19.1 mm,隨著深度增加,土體沉降呈衰減趨勢,如11 m深度處的土體沉降僅2.7 mm。從圖8(b)可以發(fā)現,約9 m深度處,土體豎向應力等值線大致水平,其值為 205.4 kpa,基礎及土體自重應力疊加值
kN/m3×1.3 m+19 kN/m3×7.7 m=202 kPa,兩者基本吻合,表明在此深度以下,外荷載引起的土體附加應力可以忽略。因此,外荷載僅在一定深度內對土體應力存在影響,超出該深度的土體應力均為自重應力。從圖8(b)中還能發(fā)現,基礎兩端土體應力等值線較密,產生應力集中現象。
圖8 土體沉降及豎向應力等值線
3.2.2 基礎彎矩
圖9為基礎彎矩圖。從圖9(a)可以看出,彎矩中間大、兩端小。基礎彎矩與沉降圖相對應,最大沉降值19.1 mm的中部橫截面彎矩達2698 kN·m。從圖9(b)可以看出,縱截面彎矩呈“貓耳朵”狀分布,最大彎矩并未出現在中部縱截面,而是出現于對稱中部縱截面的b/4及3b/4縱截面,最大為539.8 kN·m。在b/3~2b/3范圍內,彎矩值基本不變,其值為415.1 kN·m。
對比圖9(a)與圖9(b)還能發(fā)現,基礎彎矩以橫截面彎矩占主導,這與基礎上部T梁荷載分布及基礎變形有關。
圖9 基礎彎矩圖
3.2.3 基底接觸土壓力
圖10為基底接觸土壓力。從圖10(a)可以看出,橫向基底中線處接觸土壓力兩頭大、中間小,兩端最大接觸壓力達230.8 kPa,小于設計地基承載力值250 kPa,地基承載力滿足要求。從圖10(b)可以看出,縱向基底中線處接觸土壓力呈“W”狀分布,中部土壓力值較大,這是因為基礎上部 T梁荷載在基礎中部較兩端更為集中,致使基礎中部產生較大沉降,因而土壓力較大。
圖10 基底接觸土壓力
本文可得出以下結論:
1)依據抗剪計算確定制梁臺座基礎高度;依據抗彎計算確定基礎底板配筋,最后給出臺座基礎施工配筋圖,可為類似工程提供參考。
2)存梁臺座基礎應力呈中間大、兩頭小分布。最大沉降發(fā)生于基礎中線橫截面處,土體沉降等值線以基礎為中心呈橢圓形分布,距基礎中心越遠,沉降越小。
3)外荷載僅對一定深度內土體豎向應力產生影響,超過此深度的土體豎向應力等值線基本水平;存梁臺座基礎兩端土體應力等值線較密,產生應力集中現象。
4)存梁臺座基礎中部橫截面彎矩最大;縱截面彎矩呈“貓耳狀”分布。相比縱截面彎矩,基礎橫截面彎矩占主導,這與基礎上部 T梁荷載分布及基礎變形有關。
5)存梁臺座橫向基底中線處接觸土壓力兩頭大、中間??;縱向基底中線處接觸土壓力呈“W”狀分布,中部土壓力值較大。
需要說明的是,應加強現場臺座基礎沉降觀測,有條件時宜在基底埋設土壓力盒,以實測結果對比有限元結果,將不同的研究手段有機結合,做到結果相互驗證。