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?biāo)準(zhǔn)化施工需求,預(yù)制梁場(chǎng)的建設(shè)在橋梁工程中很大程度上得到了推廣,其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成為了預(yù)制梁場(chǎng)生產(chǎn)的關(guān)鍵,但目前工程人員對(duì)梁場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)未引起足夠重視,對(duì)其受力及變形特性還不很清楚。因此,分析預(yù)制梁場(chǎng)基礎(chǔ)受力具有重要工程指導(dǎo)意義。
李聞[1]通過對(duì)存梁臺(tái)座的設(shè)計(jì)研究,介紹了臺(tái)座基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原則及方法。戴必輝等[2]通過不同的計(jì)算方法同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)存梁臺(tái)座沉降數(shù)據(jù)對(duì)比,找到了適合沉降計(jì)算的方法及參數(shù)取值。白國(guó)遠(yuǎn)[3]對(duì)制梁、存梁臺(tái)座和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算和沉降計(jì)算分析,為預(yù)制梁場(chǎng)設(shè)計(jì)及施工提供了參考。李勝華[4]對(duì)制存梁臺(tái)座基礎(chǔ)沉降計(jì)算及其結(jié)果進(jìn)行了研究,為地基處理提供了依據(jù)。杜勇[5]對(duì)雙層存梁的存梁臺(tái)座進(jìn)行了沉降觀測(cè),為安全施工提供指導(dǎo)。
綜上可知,上述學(xué)者對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)臺(tái)座基礎(chǔ)受力、變形及土體沉降缺乏系統(tǒng)的研究,且多停留在簡(jiǎn)化的手動(dòng)計(jì)算上,往往較難反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型。本文結(jié)合公路工程實(shí)例,對(duì)制梁臺(tái)座基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,最后通過有限元軟件abaqus對(duì)存梁臺(tái)座基礎(chǔ)受力及變形進(jìn)行三維建模分析,所得結(jié)果可為工程實(shí)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(zhǎng)10.54 km,包含中橋1座,大橋8座。預(yù)制梁場(chǎng)長(zhǎng)×寬為220 m×50 m,主要分為制梁區(qū)、存梁區(qū)、運(yùn)梁區(qū)、鋼筋加工場(chǎng)等,配置10 t龍門吊2臺(tái),80 t龍門吊4臺(tái),龍門吊跨徑均為18 m。
預(yù)制T梁跨徑30 m,共計(jì)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(nèi)布設(shè)4個(gè)長(zhǎng)30.6 m的制梁臺(tái)座,縱向相鄰臺(tái)座邊緣相距5 m,兩側(cè)臺(tái)座中心距龍門吊軌道墻中線3.0 m,相鄰臺(tái)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(tái)座兩端設(shè)C30砼擴(kuò)大基礎(chǔ),長(zhǎng)×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(kuò)大基礎(chǔ)承擔(dān),每端承重38 t。擴(kuò)大基礎(chǔ)自重2 m×2 m×0.6 m×25 kN/m3=60 kN,忽略基礎(chǔ)坑壁對(duì)基礎(chǔ)向上的摩阻力,按保守計(jì)算原則,則基底壓應(yīng)力P=(380+60)/(2×2)=110 kPa<250 kPa,滿足地基設(shè)計(jì)承載力的要求。
選擇基礎(chǔ)材料:采用C30混凝土(ft=1.43 N/mm2),鋼筋fy=360 N/mm2,并設(shè)置150 mm厚的C20混凝土墊層,每邊伸出100 mm。存梁臺(tái)座基礎(chǔ)平面及剖面圖如圖2所示。
基礎(chǔ)抗沖切及抗彎驗(yàn)算采用基本組合的設(shè)計(jì)值,對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合,恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.35,則擴(kuò)大基礎(chǔ)一端受力N=1.35×380=513 kN,換算為線荷載,F(xiàn)=513/2=256.5 kN/m,基礎(chǔ)凈反力:Pj=F/b=256.5/2=128.25 kPa。
圖2 基礎(chǔ)平面及剖面圖
基礎(chǔ)高度為 0.6 m,保護(hù)層厚度取 as=50 mm,基礎(chǔ)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(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]8.2.1條,基礎(chǔ)配筋率不應(yīng)小于0.15%,因此縱向受力鋼筋構(gòu)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(shí)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(tái)座,臺(tái)座面板采用5mm厚不銹鋼板,棱角采用角鋼包邊。基礎(chǔ)按計(jì)算及構(gòu)造配筋見圖3。
圖3 基礎(chǔ)配筋圖
存梁區(qū)共布置7個(gè)臺(tái)座。有限元計(jì)算模型為三維實(shí)體模型,如圖4所示。條形基礎(chǔ)長(zhǎng)L=17.5 m,寬度b=3.6 m,埋深d=0.8 m為忽略邊界條件對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響,取土體尺寸為35 m×20 m×15 m(長(zhǎng)×寬×高)。土的側(cè)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(chǔ)相對(duì)土體剛度較大,因此基礎(chǔ)采用理想線彈性模型,土體采用摩爾庫(kù)倫模型。
圖4 有限元模型
合理設(shè)置基礎(chǔ)-土界面接觸屬性是采用有限元方法分析基礎(chǔ)-土相互作用的前提。本文采用面對(duì)面的離散方法,以剛度較大的基礎(chǔ)作為主控面,土體為從屬面。接觸跟蹤方法采用有限滑動(dòng)方法,允許基礎(chǔ)-土界面產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)?;A(chǔ)與側(cè)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(jì)算方法,通過反復(fù)演算取基礎(chǔ)-土界面摩擦系數(shù)μ=0.4?;着c基底土接觸采用tie連接?;A(chǔ)與土體均采用C3D8R單元,以遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的土體網(wǎng)格劃分較疏,而鄰近基礎(chǔ)的土體網(wǎng)格劃分較密為原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
1.3 m深度范圍進(jìn)行碎石土換填,基礎(chǔ)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(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查,土層分布及土體參數(shù)見圖5。
圖5 地質(zhì)剖面及土體參數(shù)
根據(jù)已有學(xué)者經(jīng)驗(yàn),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(zhì)黏土彈性模量E2=41.5 MPa,泊松比2ν=0.3。
3.2.1 應(yīng)力云圖、等值線圖
圖6為基礎(chǔ)mises應(yīng)力云圖,可以看出,應(yīng)力分布中間大、兩端小,最大應(yīng)力3699 kPa,最小應(yīng)力45.1 kPa。地面上臺(tái)座局部壓應(yīng)力較大,而地面下基礎(chǔ)壓應(yīng)力較小。
圖6 Mises應(yīng)力云圖
圖7為基礎(chǔ)及表層土體沉降等值線圖,可以看出,基礎(chǔ)較周圍土體的沉降大,且基礎(chǔ)最大沉降發(fā)生于基礎(chǔ)中線橫截面處,為19.1 mm。土體沉降等值線以基礎(chǔ)為中心呈橢圓形分布,距基礎(chǔ)中心越遠(yuǎn),沉降等值線值非線性遞減。
圖7 沉降等值線
圖8為基礎(chǔ)中線縱斷面上土體沉降及豎向應(yīng)力等值線圖。從圖8(a)可以看出,臨近基礎(chǔ)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(shì),如11 m深度處的土體沉降僅2.7 mm。從圖8(b)可以發(fā)現(xiàn),約9 m深度處,土體豎向應(yīng)力等值線大致水平,其值為 205.4 kpa,基礎(chǔ)及土體自重應(yīng)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(yīng)力可以忽略。因此,外荷載僅在一定深度內(nèi)對(duì)土體應(yīng)力存在影響,超出該深度的土體應(yīng)力均為自重應(yīng)力。從圖8(b)中還能發(fā)現(xiàn),基礎(chǔ)兩端土體應(yīng)力等值線較密,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
圖8 土體沉降及豎向應(yīng)力等值線
3.2.2 基礎(chǔ)彎矩
圖9為基礎(chǔ)彎矩圖。從圖9(a)可以看出,彎矩中間大、兩端小?;A(chǔ)彎矩與沉降圖相對(duì)應(yīng),最大沉降值19.1 mm的中部橫截面彎矩達(dá)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(xiàn)在中部縱截面,而是出現(xiàn)于對(duì)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(nèi),彎矩值基本不變,其值為415.1 kN·m。
對(duì)比圖9(a)與圖9(b)還能發(fā)現(xiàn),基礎(chǔ)彎矩以橫截面彎矩占主導(dǎo),這與基礎(chǔ)上部T梁荷載分布及基礎(chǔ)變形有關(guān)。
圖9 基礎(chǔ)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(dá)230.8 kPa,小于設(shè)計(jì)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?yàn)榛A(chǔ)上部 T梁荷載在基礎(chǔ)中部較兩端更為集中,致使基礎(chǔ)中部產(chǎn)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(jié)論:
1)依據(jù)抗剪計(jì)算確定制梁臺(tái)座基礎(chǔ)高度;依據(jù)抗彎計(jì)算確定基礎(chǔ)底板配筋,最后給出臺(tái)座基礎(chǔ)施工配筋圖,可為類似工程提供參考。
2)存梁臺(tái)座基礎(chǔ)應(yīng)力呈中間大、兩頭小分布。最大沉降發(fā)生于基礎(chǔ)中線橫截面處,土體沉降等值線以基礎(chǔ)為中心呈橢圓形分布,距基礎(chǔ)中心越遠(yuǎn),沉降越小。
3)外荷載僅對(duì)一定深度內(nèi)土體豎向應(yīng)力產(chǎn)生影響,超過此深度的土體豎向應(yīng)力等值線基本水平;存梁臺(tái)座基礎(chǔ)兩端土體應(yīng)力等值線較密,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。
4)存梁臺(tái)座基礎(chǔ)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(chǔ)橫截面彎矩占主導(dǎo),這與基礎(chǔ)上部 T梁荷載分布及基礎(chǔ)變形有關(guān)。
5)存梁臺(tái)座橫向基底中線處接觸土壓力兩頭大、中間?。豢v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(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)座基礎(chǔ)沉降觀測(cè),有條件時(shí)宜在基底埋設(shè)土壓力盒,以實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比有限元結(jié)果,將不同的研究手段有機(jī)結(jié)合,做到結(jié)果相互驗(yàn)證。