羅世斌 謝軍
摘要:整體式橋臺(tái)無縫橋(簡(jiǎn)稱整體橋)由于取消了伸縮縫,從而大大減少了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,同時(shí)具有較好的抗震性能。但是,整體橋上部結(jié)構(gòu)的變形需由下部結(jié)構(gòu)吸收,樁-土相互作用問題較為突出。文章以某座整體橋?yàn)檠芯勘尘?,采用OpenSees有限元軟件建立分析模型,對(duì)比分析了不同樁基參數(shù)對(duì)樁-土相互作用的影響,為整體橋的設(shè)計(jì)提供理論參考。
關(guān)鍵詞:橋梁工程;整體橋;有限元;樁基類型
中國(guó)分類號(hào):U443.15文章標(biāo)識(shí)碼:A130474
0 引言
整體式橋臺(tái)無縫橋(簡(jiǎn)稱整體橋)取消了伸縮縫,從而使得行車平穩(wěn)舒適,還大幅降低了后期的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,同時(shí)具有較好的抗震性能[1]。因此,整體橋在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用,我國(guó)也在積極推廣。不過,整體橋上部結(jié)構(gòu)在外界因素(溫度或地震)作用下的往復(fù)變形需由下部結(jié)構(gòu)的變形來吸收,樁-土相互作用問題較為突出。因此,整體橋下部樁基必須采用變形能力較好的柔性樁基礎(chǔ)[2]。目前,我國(guó)整體橋建設(shè)多采用混凝土樁(RC樁),不過如何合理設(shè)計(jì)RC樁,使其能夠更好地適應(yīng)整體橋的受力還尚不明確。
為了揭示整體橋RC樁-土相互作用機(jī)理,探討RC樁的合理設(shè)計(jì)方式,本文以某整體橋?yàn)檠芯繉?duì)象,采用OpenSees有限元軟件建立分析模型,分析了RC樁在往復(fù)位移荷載作用下的受力性能,并開展了不同樁徑、配筋率和樁長(zhǎng)的參數(shù)分析,研究成果可為整體橋的設(shè)計(jì)建設(shè)提供參考。
1 工程概況
某整體橋?yàn)殡p幅三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁整體橋[3],左、右幅橋梁寬度為17 m,跨徑為30 m,如下頁(yè)圖1所示。該整體橋采用整體式橋臺(tái),橋臺(tái)下部布置單排4根鉆孔灌注RC樁,采用C30混凝土澆筑。樁徑為150 cm,RC樁截面配置30根[WTBX]28 mm縱筋,等級(jí)為HRB400,配筋率為1.05%,箍筋等級(jí)為HPB300。C30混凝土和鋼筋的物理參數(shù)分別見下頁(yè)表1和表2。
2 OpenSees簡(jiǎn)化模型建立及加載
2.1 模型建立
本文以該整體橋的橋臺(tái)下方一根RC樁為研究對(duì)象,為了對(duì)整體橋樁-土相互作用進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬,采用OpenSees有限元軟件建立溫克爾非線性地基梁簡(jiǎn)化模型,有限元模型如圖2所示。由圖2可知,整體橋樁-土相互作用模型的建立主要分為兩個(gè)部分,分別為RC樁和土體的建立。
其中,RC樁采用OpenSees中的dispBeamColumn單元模擬[4],并采用纖維截面。纖維截面主要包括混凝土纖維和鋼筋纖維,分別賦予Concrete02混凝土材料本構(gòu)和Steel02鋼筋材料本構(gòu)[5],截面劃分如圖3所示?;炷晾w維和鋼筋纖維的主要材料參數(shù)與表1和表2中的一致。依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363-2019)[6]計(jì)算得到RC樁的柔性系數(shù)[WTBX]α為2.487,為此,當(dāng)埋置深度>9.948 m時(shí),可忽略9.948 m以下樁基的作用。為便于建模,本文取樁基的埋置深度為10 m,并將樁底固結(jié)??紤]計(jì)算效率和精度,樁身劃分為20個(gè)單元。
本文將樁周土簡(jiǎn)化為一系列土彈簧,模擬方式為采用OpenSees中的ZeroLength單元并賦予土體材料本構(gòu)。其中,土體本構(gòu)采用美國(guó)API規(guī)范建議的砂土p-y曲線[7]。土彈簧的一端與RC樁身節(jié)點(diǎn)耦合自由度,另一端固結(jié)。
2.2 模型加載
整體橋在溫度作用下的最大伸長(zhǎng)量為16 mm,為此,本文按每級(jí)2 mm,逐級(jí)加載至16 mm。
3 不同參數(shù)對(duì)RC樁受力性能的影響
3.1 配筋率的影響
相比于傳統(tǒng)有縫橋,整體橋樁基需要吸納更大的上部結(jié)構(gòu)變形,合理配筋對(duì)其發(fā)揮變形能力至關(guān)重要。為此,本文分析了配筋率為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%時(shí)RC樁的受力和變形情況。圖4和圖5分別給出了加載位移為16 mm時(shí),不同配筋率下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計(jì)算結(jié)果。
由圖4可知,當(dāng)配筋率為0.5%和1.0%時(shí),RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律為沿埋深逐漸減小至0并反向增大,當(dāng)達(dá)到反向最大后,又逐漸減小至0,樁身存在兩個(gè)變形零點(diǎn),符合柔性樁的變形特征。并且,配筋率為1.0%時(shí),樁-土相互作用范圍較0.5%的更大。如配筋率為0.5%時(shí),樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-6 m和-10 m;配筋率為1.0%時(shí),樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-7.5 m和-10 m。這表明,適當(dāng)增大配筋率有利于增強(qiáng)樁-土相互作用,從而改善混凝土柔性樁的變形性能。
當(dāng)配筋率增大至1.5%和2.0%時(shí),RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律變?yōu)檠芈裆钪饾u減小至0,樁身僅存在一個(gè)變形零點(diǎn),如配筋率為1.5%和2%時(shí),樁身變形零點(diǎn)埋深均為-10 m。這表明配筋率過高會(huì)使得RC樁變?yōu)榘肴嵝詷痘騽傂詷叮虼?,適當(dāng)增大整體橋RC樁的配筋率有利于改善變形能力,但是不宜過高。
由圖5可知,樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律為沿埋深先增大后減小,樁身彎矩隨著配筋率的提高而增大。并且,隨著配筋率的提高,樁身最大彎矩對(duì)應(yīng)埋深也增大。如配筋率為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時(shí),分別在埋深為3.5 m、4.0 m、4.0 m和4.0 m時(shí)達(dá)到樁身最大彎矩,其值分別為621.2 kN·m、886.4 kN·m、1 042.7 kN·m和1 189.3 kN·m。這表明增大樁身配筋率可改善RC樁的受力性能,在相同樁頂變形下具有更好的水平承載能力,更好地滿足了整體橋?qū)痘囊蟆?/p>
3.2 樁徑的影響
本文分析了樁徑為120 cm、150 cm和180 cm時(shí)RC樁的受力和變形情況。圖6和圖7分別給出了加載位移為16 mm時(shí),不同樁徑下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計(jì)算結(jié)果。
由圖6可知,當(dāng)樁徑為120 cm和150 cm時(shí),RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律基本一致,樁身存在兩個(gè)變形零點(diǎn),這也符合柔性樁的變形特征。并且,樁徑為150 cm時(shí),樁-土相互作用范圍較樁徑為120 cm時(shí)的更大。如樁徑為120 cm時(shí),樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-6 m和-10 m;樁徑為150 cm時(shí),樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-7.3 m和-10 m。這表明,適當(dāng)增大樁徑有利于改善混凝土柔性樁的變形性能。
當(dāng)配筋率增大至180 cm時(shí),樁身僅存在一個(gè)變形零點(diǎn),其埋深為-10 m。這表明樁徑過大會(huì)使得RC樁變?yōu)榘肴嵝詷痘騽傂詷?,變形能力減弱。因此,整體橋RC樁的直徑不宜過大。
由圖7可知,不同樁徑下的樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律基本一致。樁身最大彎矩隨著樁徑的增大而增大,如樁徑為120 cm、150 cm和180 cm時(shí)的樁身最大彎矩分別為600 kN·m、886.4 kN·m和1 192.3 kN·m。這表明增大樁徑有利于提高樁身的水平承載能力。
3.3 樁長(zhǎng)的影響
本文分析了樁長(zhǎng)為9 m、10 m和11 m時(shí)RC樁的受力和變形情況。圖8和圖9分別給出了加載位移為16 mm時(shí),不同樁徑下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計(jì)算結(jié)果。
由圖8可知,樁長(zhǎng)為10 m和11 m時(shí)的樁身變形沿埋深的分布規(guī)律基本一致,存在兩個(gè)樁身變形零點(diǎn)。并且,樁長(zhǎng)為10 m時(shí),樁-土相互作用范圍較樁長(zhǎng)為11 m時(shí)的更大。如當(dāng)樁長(zhǎng)為10 m時(shí),樁身零點(diǎn)的埋深為-8 m和-10 m;樁長(zhǎng)為11 m時(shí),樁身零點(diǎn)的埋深為-6.5 m和-11 m。這表明,增大樁長(zhǎng)可增大RC樁的柔性,但會(huì)減小樁-土相互作用范圍。
由圖8還可知,樁長(zhǎng)為9 m時(shí),樁身僅存在1個(gè)變形零點(diǎn),其埋深為-9 m。這表明,樁長(zhǎng)過小,其工作形狀會(huì)退化為半剛性樁或剛性樁,減小其變形能力。因此,整體橋樁基礎(chǔ)的埋深不宜過小。
由圖9可知,不同樁長(zhǎng)下的樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律基本一致。由圖9還可知,不同樁長(zhǎng)下的樁身彎矩最大值基本一致,這表明樁長(zhǎng)對(duì)樁身彎矩基本沒有影響。
4 結(jié)語(yǔ)
樁-土相互作用是整體橋設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn),如何對(duì)RC樁進(jìn)行合理設(shè)計(jì),使其滿足整體橋的要求,也是整體橋發(fā)展的關(guān)鍵。通過上述有限元分析,可以得到以下結(jié)論:
(1)適當(dāng)增大RC樁的配筋率有利于改善其水平變形能力,增強(qiáng)樁-土相互作用。不過,配筋率過高會(huì)使得RC樁退化為半剛性樁或剛性樁,不利于RC樁的變形。增大RC樁配筋率還可增強(qiáng)其水平承載能力。
(2)適當(dāng)增大RC樁的樁徑可改善其水平變形能力,但不宜過高。增大RC樁的樁徑還可增大其水平承載能力。
(3)整體橋樁基需保證一定的長(zhǎng)度,樁長(zhǎng)不足會(huì)使其退化為半剛性樁或剛性樁,不利于其水平變形。樁長(zhǎng)對(duì)樁身彎矩基本沒有影響。
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作者簡(jiǎn)介:羅世斌(1967—),高級(jí)工程師,主要從事高速公路運(yùn)營(yíng)管理以及課題研究工作。
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