鐘 衛(wèi)

（湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和橋梁技術(shù)的日益成熟，橋梁跨越能力不斷增強(qiáng)，近些年來大量跨江、跨河、跨海大橋不斷建成通車，這類大跨橋梁的共同特點(diǎn)是在建設(shè)過程中不可避免地要面臨大型深水基礎(chǔ)這個(gè)施工難題，而深水承臺(tái)基礎(chǔ)施工往往成為這類大跨橋梁的控制性工程。在進(jìn)行深水承臺(tái)基礎(chǔ)施工時(shí)，常采用雙壁鋼圍堰法，該方法要求在施工中必須通過澆筑水下混凝土對(duì)圍堰進(jìn)行封底止水，然后再進(jìn)行承臺(tái)、墩身等其他工序施工。因此，封底混凝土是一道關(guān)乎施工安全的重要施工工序，且混凝土體量較大，封底混凝土的合理設(shè)計(jì)計(jì)算，是保證施工質(zhì)量、安全，有效降低施工措施費(fèi)用的重要保障。

本文以某高速公路跨江大橋?yàn)楣こ贪咐?，通過計(jì)算分析比較，研究樁基約束對(duì)封底混凝土受力的影響，并以此確定樁基約束合理的模擬方法，為類似工程封底混凝土的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 封底混凝土

深水基礎(chǔ)封底混凝土的主要作用是止水、抗浮，其厚度的選取，主要考慮兩個(gè)因素，一是抗浮穩(wěn)定性；二是封底混凝土應(yīng)力狀況，計(jì)算主要考慮圍堰內(nèi)抽水后，封底混凝土底部在水壓力作用下的應(yīng)力。由于實(shí)際工程中，抗浮容易通過各種壓重措施滿足施工要求，因此，封底混凝土應(yīng)力計(jì)算往往成為封底混凝土設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。由于封底混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)則，受力簡(jiǎn)單，計(jì)算的關(guān)鍵在于合理考慮封底混凝土的邊界條件。

2 封底混凝土應(yīng)力計(jì)算方法

封底混凝土應(yīng)力計(jì)算一般有理論公式法和有限元分析法兩種方法，理論公式法一般是將封底混凝土簡(jiǎn)化為單向板或雙向板進(jìn)行計(jì)算。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單便捷，缺點(diǎn)是將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梁進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算與實(shí)際受力存在差異，更重要的是無法準(zhǔn)確考慮樁基約束對(duì)封底混凝土的影響。

有限元分析法是采用有限元分析軟件進(jìn)行封底混凝土的分析計(jì)算，該方法的優(yōu)點(diǎn)是，計(jì)算可以充分考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況和約束條件，計(jì)算精度高，計(jì)算結(jié)果直觀。

3 有限元分析計(jì)算

3.1 工程概括

某高速公路跨江大橋采用雙幅設(shè)計(jì)，上部為主跨130 m連續(xù)梁，下部采用實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用承臺(tái)接樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，承臺(tái)長(zhǎng)、寬均為13.6 m，厚4.5 m，單幅承臺(tái)下接9根直徑2 m的樁基礎(chǔ)。該橋設(shè)計(jì)水位為H1=27 m，承臺(tái)頂高程為H2=8.3 m，承臺(tái)基礎(chǔ)采用雙壁鋼圍堰施工，封底采用4.5 m厚C30混凝土，鋼護(hù)筒直徑采用2.2 m，承臺(tái)及圍堰平面如圖1所示。

圖1 承臺(tái)及圍堰平面示意圖/cm

3.2 有限元計(jì)算模型

采用大型通用有限元分析軟件Ansys對(duì)封底混凝土進(jìn)行計(jì)算模擬。

混凝土采用solid45實(shí)體單元，根據(jù)對(duì)稱性，選取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

坐標(biāo)系：X、Y、Z軸分別為封底長(zhǎng)邊、短邊和厚度方向。

荷載情況：封底混凝土結(jié)構(gòu)自重、水壓力。

邊界條件：封底混凝土1/2結(jié)構(gòu)中心采用對(duì)稱約束，其余三個(gè)側(cè)面采用豎向支撐，頂、底為自由面。

根據(jù)實(shí)際情況，樁基礎(chǔ)對(duì)封底混凝土存在約束作用，此約束作用為鋼護(hù)筒對(duì)封底混凝土產(chǎn)生的握裹力，當(dāng)水壓力產(chǎn)生的向上反力小于握裹力時(shí)，則考慮施加約束；當(dāng)水壓力產(chǎn)生的向上反力大于握裹力時(shí)，封底混凝土與樁基礎(chǔ)將發(fā)生相對(duì)位移，則約束失效。

為了研究樁基礎(chǔ)約束作用對(duì)封底混凝土受力的影響，進(jìn)行以下3種情況模擬：①不考慮樁基礎(chǔ)對(duì)封底混凝土的約束作用，有限元模型如圖2所示；②考慮樁基礎(chǔ)對(duì)封底混凝土的約束作用，以約束形式施加，有限元模型如圖3所示；③考慮樁基礎(chǔ)對(duì)封底混凝土的約束作用，以荷載形式施加，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果封底混凝土與樁基鋼護(hù)筒之間的握裹力系數(shù)一般取0.15～0.2 MPa，本文取0.15 MPa，有限元模型如圖4所示。

圖2 模型1（不考慮樁基約束作用）

圖3 模型2（考慮樁基約束，施加約束）

圖4 模型3（考慮樁基約束，施加荷載）

3.3 計(jì)算結(jié)果

各模型計(jì)算結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 模型1應(yīng)力結(jié)果

圖6 模型2應(yīng)力結(jié)果

圖7 模型2應(yīng)力結(jié)果

圖8 封底混凝土與樁基接觸面的應(yīng)力

由圖可知，模型1封底混凝土最大應(yīng)力為1.11 MPa，最大應(yīng)力位于封底混凝土頂面中心位置，與按雙向板理論公式法計(jì)算結(jié)果1.20 MPa接近；模型2封底混凝土的最拉應(yīng)力為0.29 MPa，最大應(yīng)力位于封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸面附近區(qū)域，而頂緣混凝土最大拉應(yīng)力僅為0.08 MPa，小于單向板理論公式法計(jì)算結(jié)果0.35 MPa，原因在于單向板計(jì)算跨徑取斜向兩根樁間中心距偏大；模型3封底混凝土的最大應(yīng)力為1.21 MPa，最大應(yīng)力位于封底混凝土底緣，而封底混凝土總體為頂緣受壓、底緣受拉狀態(tài)，與模型1、模型2應(yīng)力正負(fù)趨勢(shì)相反，說明握裹力模擬所施加荷載偏大，超過本工程實(shí)際握裹力的平均值。由圖8可以看出，封底混凝土與鋼護(hù)筒接觸面的局部最大應(yīng)力為0.185 MPa，而大部分應(yīng)力均處于較低水平，經(jīng)計(jì)算，接觸面單位面積反力為0.08 MPa，約為施加荷載 （0.15 MPa） 的50%。

由此可見，不同約束對(duì)封底混凝土受力影響較為明顯，將直接影響到混凝土厚度的選取結(jié)果。由計(jì)算分析可知，采用模型1的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將使封底混凝土厚度取值過于保守， 同時(shí)會(huì)使圍堰高度增加， 經(jīng)濟(jì)性較差。采用模型3的方法，握裹力的取值及分布無法確定，計(jì)算容易導(dǎo)致與實(shí)際不符。模型2的方法合理考慮樁基對(duì)封底混凝土的約束作用，約束與工程實(shí)際相符，該方法得到混凝土的拉應(yīng)力計(jì)算值較低，同時(shí)可以計(jì)算得到封底混凝土與樁基間的相互作用力，用以判斷封底混凝土與樁基之間是否發(fā)生相對(duì)位移，約束是否可靠，從而保證了設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

本文以某跨江大橋?yàn)楣こ贪咐?，通過有限元模擬，研究分析了樁基約束條件對(duì)封底混凝土受力的影響，得出以下結(jié)論：

（1） 相比理論公式法，有限元分析法可以模擬樁基對(duì)封底混凝土的約束作用，進(jìn)而更準(zhǔn)確地模擬封底混凝土的實(shí)際受力。

（2） 不考慮樁基對(duì)封底混凝土的約束作用，計(jì)算結(jié)果偏大，設(shè)計(jì)偏保守，將會(huì)大大增加封底混凝土厚度及圍堰高度，經(jīng)濟(jì)性較差。

（3） 通過施加豎向荷載的方法模擬樁基對(duì)封底混凝土的約束，由于荷載大小及分布難以確定，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)不建議采納。

（4） 通過施加豎向約束的方法模擬樁基對(duì)封底混凝土的約束，除了驗(yàn)算封底的應(yīng)力是否滿足要求，還應(yīng)驗(yàn)算樁基礎(chǔ)與封底混凝土之間的受力是否滿足要求，以確保約束可靠有效，由此得到的計(jì)算結(jié)果，可以兼顧結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。