桩土效应对矮墩连续刚构桥的受力影响分析

张绪林， 肖光清

(1.永州市城市建设投资发展集团有限责任公司， 湖南 永州　425000；2.广东省公路工程质量监测中心， 广东 广州　510500)



桩土效应对矮墩连续刚构桥的受力影响分析

张绪林1， 肖光清2

(1.永州市城市建设投资发展集团有限责任公司， 湖南 永州425000；2.广东省公路工程质量监测中心， 广东 广州510500)

摘要：群桩的柔度直接影响着矮墩连续刚构桥下部结构的抗推刚度，对桩基边界的模拟要涉及桩土效应问题。采用m法模拟桩周土的作用，建立了计算实例的整体计算模型，并提出了改善矮墩连续刚构桥的受力措施，计算结果表明，考虑桩土效应能有效的改善桥墩结构的受力。

关键词：连续刚构桥； 矮墩； 受力分析； m法； 桩土效应

0引言

大跨度连续刚构桥以其受力性能好、跨越能力大、桥面行车平顺、经济美观等优势成为目前大跨桥梁主要采用的结构体系之一。通常连续刚构桥的墩都较高，它主要是利用高墩的柔度来适应预应力、温度荷载和混凝土徐变收缩引起的梁体变形，减小桥墩对上部结构的嵌固作用，使得结构在竖向荷载作用下，墩台基本处于无推力的状态[1]。但在一些市政、跨湖工程中，由于受线形、地质等客观因素的影响，需要把结构做成矮墩连续刚构体系，随着墩高度的降低，墩的抗推刚度将增大，但墩身内力和基础受力过大，强度验算难以通过[2]。设计计算时，通常以增加基础规模的方法，利用群桩柔度的有利作用来减小对结构受力不利的影响。

为精确求解矮墩连续刚构桥的变形和内力，计算时往往需要建立全桥的整体计算模型，即包含上部结构、下部结构及基础与地基的共同作用(桩土效应)。本文运用有限元软件建立了某矮墩连续刚构桥的整体计算模型，用m法模拟桩周土的作用，着重分析了桩土效应对大跨度矮墩连续刚构桥的受力影响。

1m法分析桩土效应

对桩基边界条件进行精确模拟要涉及桩土共同作用问题，若不考虑桩土共同作用的非弹性问题，而仅将桩周土的作用看成线弹性土弹簧，则可用规范中的“m法”解决[3]。采用m法分析桩土作用时，可按以下步骤进行： ①将桩长范围内的土层分层，计算每层土的弹簧刚度系数； ②合理划分桩单元，确保每层土的中间位置有一个相对应的节点，便于边界条件的施加； ③在桩身节点位置设置水平土弹簧。

在有限元软件计算过程中，通常会用梁单元模拟桩，而用土弹簧模拟桩周土的作用的方法进行桩土效应分析。土弹簧可用Midas Civil程序中的节点弹性支承或一般连接单元来模拟，其刚度可根据土体的参数来计算，或者由桩所受荷载与桩发生的相对位移的计算关系获得。

1.1土弹簧的水平刚度系数计算

各层土对桩的水平刚度系数可按照桩所环绕的等效体积来计算：

第1层土水平刚度系数：

(1)

第2层土水平刚度系数：

(2)

第n层土水平刚度系数：

(3)

式中：b0为桩的计算宽度；hn为第n层土层厚度；mn为第n层土的比例系数，由试验实测值获得，如无实测资料时，可按规范采用。

1.2土弹簧的竖向刚度系数计算

土弹簧的竖向刚度系数通常是由桩的竖向极限承载力和桩与土的相对位移之间的计算关系近似得到，但实际确定起来较为繁琐，影响因素较多，且大多数情况下我们只关心桩顶的水平位移，所以往往通过将桩底固结或在桩底施加一个弹簧的方法简化处理，其刚度系数等于竖向承载力除以竖向相对位移(摩擦桩没有计算的情况下，一般取6 mm左右)[4]。这种简化处理，一般情况较为合理，且能符合实际要求。

2桩土效应的有限元分析

2.1工程概况

本文以一座跨径布置为(110+195+110)m的预应力混凝土连续刚构桥为例，该桥上部结构分幅布置，每幅均为单箱单室箱型截面，箱梁顶底板均设有3%的单向横坡。截面梁高由箱梁根部的11.5 m按2次抛物线变化至跨中的4.0 m；单幅箱梁顶板宽16.4 m，标准段厚度为30 cm，根部加厚到50 cm；底板宽8.4 m，厚度由箱梁根部的120 cm按2次抛物线变化至跨中的32 cm；腹板厚度由箱梁根部的120 cm变化至跨中的55 cm。主梁采用C55混凝土、三向预应力结构，主桥桥型布置图见图1所示。

图1　主桥桥型布置示意图(高程单位： m，其余单位： cm)

下部结构主墩基础采用钻孔灌注桩和整体式承台，桩基布置为18根桩径2.8～2.5 m的变直径钻孔桩，桩间净距为2.8 m。过渡墩采用分离式承台，单个承台下布置4根直径2.0 m的钻孔桩，桩间净距为2.2 m。主墩墩身、承台和桩基分别采用C50、C40、C30混凝土，过渡墩墩身、承台和桩基均采用C30混凝土。

2.2计算模型及相关计算参数

为分析桩土效应对结构受力的影响，本文采用Midas Civil软件分别建立了考虑桩土效应和不考虑桩土效应两种有限元模型，如图2所示。全桥结构均模拟为空间梁单元，最大模型含709个节点，676个单元，其中桩基单元520个。本文对计算坐标做如下规定：主桥顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖直向为Z轴。

图2　有限元模型

成桥时，有限元模型边界条件如下：上部结构采用墩梁刚性连接，两边支点只约束竖向位移模拟。考虑桩土效应时，根据各桩基所在的工程地质条件和基础平面形状(如表1所示)，采用m法模拟群桩边界；不考虑桩土效应时，在墩底约束全部自由度。

2.3计算结果与分析

两有限元模型的主墩和主梁关键截面在最不利荷载组合作用下(恒载+活载+温度)的受力情况如表2、表3所示。

由表2、表3计算结果对比分析可知：

1) 考虑桩土效应时，除外侧墩的轴力偏大外，主墩墩顶、墩底、承台底的内力和应力数值均有较大幅度的减小，其中以弯矩的减小幅度最为明显，最大减小幅度达到95%，有利于改善桥墩的受力；不考虑桩土效应时，主墩墩顶上缘和墩底下缘均出现较大的拉应力，最大值达到12.6 MPa，超过混凝土的抗拉强度值，容易引起混凝土开裂，影响结构的受力性能。

表1 土弹簧刚度计算基本参数m土体类型桩基在各土层间的长度顺桥向桩基计算宽度b0横桥向桩基计算宽度b0过渡墩主墩过渡墩主墩过渡墩主墩粉质粘土104淤泥质粘土1010粉砂811中风化花岗岩12202.062.41(2.35)2.142.41(2.35) 注:括号内的数据为变直径2.5m时所对应数值,m值由试验实测值获得。

表2 最不利组合下主墩关键截面内力和应力比较项目内力应力/MPaNmax/kNNmin/kNQmax/kNQmin/kNMmax/(kN·m)Mmin/(kN·m)上缘下缘外侧墩顶未计桩土效应-25922-49320-10916-14111-84414-11356911.80-11.80计桩土效应-60794-84218-2955-5439-23612-474061.85-5.94外侧墩底未计桩土效应-34653-58050-10916-1411112114898893-14.0012.60计桩土效应-69524-92949-2955-54394274626658-6.771.05内侧墩顶未计桩土效应-89832-113937-8352-11657-62857-928047.04-13.30计桩土效应-54451-78810-473-3074-2915-276270.74-4.17内侧墩底未计桩土效应-98562-122668-8352-1165710103677916-15.407.55计桩土效应-63181-87540-473-3074232286199-4.81-0.30承台底未计桩土效应-205432-212823-19269-25734841431715496-1.820.41计桩土效应-205047-212509-3429-848417281771321-0.90-0.55 注:表中应力栏中,“-”为压应力,“+”为拉应力,下同。

2) 考虑桩土效应时，两双肢薄壁墩的轴力差较小，外侧墩轴力要比内侧墩大，外侧与内侧的轴力比最大为1.12；不考虑桩土效应时，两双肢薄壁墩的轴力差较大，内侧墩轴力比外侧墩大，内侧与外侧的最大轴力比达到3.47。过大的轴力差将产生类似于降温荷载工况相同的效应，使得主墩墩顶产生向跨中的水平和转角位移，对结构的受力产生极为不利的影响。

3) 考虑桩土效应和不考虑桩土效应两者所获得的主梁应力计算结果相差较小，最大差值为1.02 MPa，说明桩土效应对主梁的内力影响不大。

3结论

1) 将土看成土弹簧，用m法分析桩土效应，能真实全面的反映桩土共同作用问题，精确求解结构的变形和内力情况。

2) 计算结果表明，考虑桩土效应能有效的改善桥墩结构的受力，但对主梁的内力影响不大。在进行矮墩连续刚构桥的设计计算中，有必要建立包含桩土效应在内的整体计算模型，合理考虑群桩柔度的有利作用。

3) 矮墩连续刚构桥受力不合理性主要表现在主墩墩身和基础受力过大这两个方面，建议设计时合理增加基础的规模，利用群桩柔度的有利作用来满足结构受力的需要。

参考文献：

[1] 白光耀.大跨度连续刚构桥的施工监控与结构仿真分析[D].南宁：广西大学，2006.

[2] 刘明虎.改善矮主墩连续刚构结构受力的措施及可行性探讨[J].公路交通科技，2004(1)：77-80.

[3] JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[4] 葛俊颖.桥梁工程软件Midas Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

文章编号：1008-844X(2016)02-0140-03

收稿日期:2016-02-19

作者简介:张绪林( 1986-) ，男，工程师，主要从事路桥隧道检测。

中图分类号：U 448.23

文献标识码：A