不同类型桩基支撑的整体桥力学性能

罗小烨，陈宝春，黄福云，郭维强，单玉麟，庄一舟

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116；2.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

整体式桥台无缝桥(简称整体桥)的上部结构与桥台、基础整体现浇成一体，使其具有较好的整体性和耐久性，同时具有行车舒适和抗震性好等优点，相比传统有缝桥，整体桥受温度的影响较大。在日照温差和季节性温差影响下，主梁收缩膨胀引起的往复变形主要由桩基础承受，从而引起较为显著的桩-土相互作用[1-4]。为此，通常要求整体桥采用柔性桩基础以最大限度地吸纳上部结构的温度变形。

目前，混凝土桩、H型钢桩、钢管桩、薄壁钢管混凝土桩等不同截面和材料类型的桩基都在整体桥中得到了应用。在英国、日本、韩国、加拿大等国家，H型钢桩被广泛应用于整体桥中，许多学者对其在整体桥中的应用也开展了大量研究[5-9]。结果表明，H型钢桩具有较大的侧向强度和变形能力，可较好地应用于整体桥中。此外，也有部分国家修建的整体桥以混凝土桩或其他类型的桩基为主，如中国桥台基础以刚性扩大基础或混凝土桩基为主，修建的整体桥主要以混凝土桩基为主[2,10-11]，德国、瑞典及欧洲其他大部分国家常采用现浇钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩、外包钢管钢筋混凝土桩或钢管混凝土桩[12]。对于钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩和预应力高强混凝土(PHC)管桩等桩型在整体桥中的应用也展开了较多研究[13-17]。研究认为混凝土桩的刚度较大，侧向变形能力有限，抗裂能力弱，仅可应用于较小跨度的整体桥中，若对其进行合理设计可有效改善混凝土桩的开裂能力，但需要在桩内布置更多的预应力钢筋，从而使整体桥的最大设计长度达到200 m。近年来，新型材料超高性能混凝土(UHPC)快速发展，其具备高强度、高韧性、高耐久性和抗腐蚀等特性[18-20]，符合整体桥柔性桩基的受力特点，一些国内外学者对UHPC桩或UHPC材料与普通混凝土组合的变截面桩在整体桥中的应用也展开了相关研究[21-23]，结果显示UHPC桩及其相应的变截面桩能有效提高基础柔度，可适应整体桥纵桥向变形的需要，是一种适合中国国情、有发展前景的整体桥新型桩基。从大量研究可知，不同类型的桩基在整体桥中都具有一定程度的应用，然而大多数主要局限于单一类型桩基在整体桥中的应用研究，对于整体式桥台下设置不同类型桩基对整体桥力学性能的影响缺乏深入分析，通过进一步的对比研究，能更好地了解不同类型桩基支撑的整体桥受力差异。

为此，依托中国已修建的最长整体桥，建立全桥有限元模型，模型中在整体式桥台下分别设置了矩形桩、圆形桩、PHC管桩、钢管桩、H型钢桩、工型UHPC桩和工型UHPC-矩形变截面桩等不同截面和材料类型的桩基，研究桥台下设置不同类型桩基对整体桥主梁和桩基受力性能的影响，并对新型UHPC-矩形变截面桩的上部UHPC桩段长度和侧向抗弯刚度等参数进行分析，研究结果可为整体桥的设计和相关规范的制定提供参考。

1 工程背景

1.1 工程简介

福建永春县上坂大桥是中国代表性的整体式桥台桥梁，如图1所示。桥长137.1 m，桥宽8.5 m。该桥上部采用4×30 m预应力混凝土T梁，梁高1.8 m，采用C50混凝土，按先简支后连续法进行施工。桥墩为双柱式钢筋混凝土结构，采用C30混凝土，墩底为扩大基础。桥台为钢筋混凝土整体式桥台，矩形扩孔桩基础，沿横桥向单排布置4根，均采用C30混凝土。公路等级为二级，设计荷载为汽-20、挂-100。

图1 上坂大桥(单位：cm)

1.2 桩基设计

以原型矩形桩为基础，分别选取了国内外整体桥中已应用和开展过研究的桩基类型：矩形桩、圆形桩、PHC管桩、钢管桩、H型钢桩、工型UHPC桩和工型UHPC-矩形变截面桩，如图2所示。

图2 桩基截面尺寸(单位：mm)

整体桥桩基础主要以弱轴向受力为主，采取了竖向承载力等强度和弱轴向等宽的原则确定其截面尺寸[21]。工型UHPC桩采用抗压强度130 MPa、弹性模量43 GPa的UHPC130材料[19,24]，其轴心抗压强度设计值fc根据文献[22]进行计算，取值54.35 MPa；根据现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[25]与《钢结构设计规范》(GB 50017—2017)[26]，矩形和圆形桩采用C30混凝土，轴心抗压强度设计值fc为14.3 MPa,弹性模量E为30 GPa；钢管桩与H型钢桩采用Q235钢材，抗压强度设计值fc为215 MPa,弹性模量E为206 GPa；PHC管桩采用C80混凝土，轴心抗压强度设计值fc为35.9 MPa,弹性模量E为38 GPa。工型UHPC-矩形变截面桩分为上、下部分，上部分3 m段采用工型UHPC桩，下部分9.6 m段采用矩形截面桩。各桩基截面特性见表1。

表1 各类型桩基截面特性

由表1可知：与原型桩相比，PHC管桩的截面强度增幅最大，达0.64%，圆形桩的弱轴向受力宽度降幅最大，达4.6%，其误差均较小，说明7类等效桩基对整体桥力学性能的影响具有较高的可对比性；此外，相比原型桩，H型钢桩、工型UHPC桩和工型UHPC-矩形变截面桩的纵桥向抗弯刚度分别减小了72.6%，77.4%和77.4%，而其余类型桩的纵向抗弯刚度均有所提高，最大提高了33.8%。

2 有限元模型及验证

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil软件建立上坂大桥全桥有限元模型，见图3。主梁采用梁格法建模，T梁、桥台、矩形桩与桥墩均采用杆系梁单元模拟，T梁之间的横向连接采用虚拟横梁模拟。墩顶主梁支座为板式橡胶支座，通过弹性连接模拟。主梁、桥台及其桩基之间均采用固接。桥台桩底埋入中风化岩层不少于2.0 m，桥墩扩大基础埋入中风化岩层不少于1.5 m，故桩底与墩底均采用固接。桥面铺装采用板单元模拟，模型中同时考虑了其自重的荷载作用和对结构刚度的贡献。全桥有限元模型共计791个单元和619个节点。

图3 整体桥有限元模型

模型中考虑了结构-土相互作用，包括桩-土和桥台-土相互作用。原桥桩基周围采用扩孔形式填入松散砂性土，桩侧土采用线性土弹簧进行模拟，从桩顶往下12 m部分以0.5 m为间隔进行单元划分，随后桩最底部单元以0.6 m为间隔。土弹簧刚度和桩基计算宽度b0采用现行的《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)[27]中的m法进行计算，且砂土水平抗力系数的比例系数m值取为15 000 kN·m-4，圆形桩的计算宽度b0取1.352 m，PHC管桩和钢管桩的计算宽度b0取1.395 m，其余桩的计算宽度b0取1.550 m。台后土压力采用静止土压力和仅受压的非线性土弹簧(温升时按被动土压力计算，温降时按主动土压力计算)进行模拟，静止土压力与受压弹簧刚度计算可参见文献[28]，[29]。

2.2 模型验证

对上坂大桥分别开展了静载、动载试验，其中动载试验主要测试环境激励作用下桥梁的振动模态与频率f，静载试验主要测试汽车荷载作用下主梁的竖向变形值。对于静载试验，考虑结构对称性与整体桥的受力特点，选取边跨为测试段，测试截面为边跨1/4，1/2截面，即图1所示A-A，B-B截面。通过静载、动载试验结果对有限元模型进行验证，分别给出了实桥与有限元模型的动载(图4)和静载(图5)结果对比。

图4 整体桥实测振型与计算振型

图5 边跨1/4，1/2截面主梁竖向挠度实测值与计算值

由图4可知，一阶实测振型与计算振型均为横向侧飘，计算基频较实测基频减小了5.5%，两者差值较小,说明有限元模型较准确，可用于分析该桥梁的力学性能。

由图5可知，在汽车偏载和中载作用下，边跨1～4号梁1/4，1/2截面的竖向挠度实测值与计算值具有相同的变化规律，两者结果较吻合，进一步表明有限元模型能反映结构的受力情况。

3 整体桥力学性能分析

3.1 主梁受力性能分析

整体桥受温度的影响最为敏感，故研究中考虑恒载与温度变化组合作用对整体桥受力性能的影响。考虑升、降温对结构受力的影响规律相似，数值相反，故在研究中仅考虑整体升温的影响，荷载工况为整体升温0～45 ℃与恒载的组合作用。

图6给出了在不同荷载工况下，各类桩基支撑的整体桥主梁梁端与跨中的最大弯矩和剪力值(其中DL+5表示恒载和整体升温5 ℃组合作用，其余以此类推)。由图6可知，在结构自重与温度荷载组合作用下，随着整体温度的升高，各类桩基支撑的整体桥梁端最大负弯矩、跨中最大正弯矩、梁端最大负剪力与跨内最大正剪力均呈现明显的增长。研究发现，采用H型钢桩、工型UHPC桩与工型UHPC-矩形变截面桩支撑的整体桥主梁内力较为接近，而矩形桩、圆形桩、钢管桩与PHC管桩支撑的整体桥主梁内力较为接近。以H型钢桩支撑的整体桥主梁内力最小，受力最佳，而圆形桩支撑的整体桥主梁内力最大，受力最差，在恒载与整体升温45 ℃组合作用下，后者的梁端负弯矩、跨中正弯矩、梁端剪力与跨中剪力分别较前者增大了41.6%，5.2%，8.1%和4.1%。因此，研究认为温差小于15 ℃时，整体桥采用不同类型桩基对主梁受力的影响不大；随着温差继续增大，整体桥采用H型钢桩、工型UHPC桩或工型UHPC-矩形变截面桩时，其主梁可表现出更好的力学性能。

图6 恒载与整体升温组合作用下的主梁内力

主梁热胀冷缩引起的梁端水平位移主要由桥头引板、桥台及其桩基础承受，其中大部分变形主要由桩基础承受，而小部分变形主要通过桥头引板传递至接线路面处，因此梁端水平位移也是整体桥受力的重点关注问题之一。图7分析了整体升温0～45 ℃与恒载组合作用下的梁端水平位移和主梁竖向挠度。由图7可知，在结构自重与整体升温0～45 ℃组合作用下，各类桩基支撑的整体桥梁端水平位移呈现增长趋势，而主梁竖向挠度呈现减小趋势。在相同荷载工况作用下，各类桩基支撑的整体桥梁端水平位移较为接近。研究表明，采用不同类型桩基对整体桥梁端水平变形的影响不大。此外，由图7还可知，在恒载与整体升温45 ℃的组合作用下，H型钢桩支撑的整体桥主梁竖向挠度最小，而圆形桩支撑的整体桥主梁竖向挠度最大，后者较前者增大了5.6%。采用H型钢桩、工型UHPC桩或工型UHPC-矩形变截面桩作为整体桥桩基可有效改善主梁的竖向变形性能。

图7 恒载与整体升温组合作用下的主梁变形性能

3.2 桩基受力性能分析

在温度荷载作用下，整体桥桩基将产生较大的水平往复变形，通常要求采用柔性桩基以吸纳上部结构引起的变形，是整体桥最为薄弱的受力部位之一。因此，考虑恒载与整体升温0～45 ℃组合作用下，对整体桥不同类型桩基的受力性能展开研究。

图8给出了恒载与整体升温0～45 ℃组合作用下整体桥桩基的弯矩和剪力。由图8可知，考虑结构自重作用下，随着整体温度的升高，桩基最大正、负弯矩和剪力增大。H型钢桩、工型UHPC桩与工型UHPC-矩形变截面桩的桩身弯矩和剪力较小且较为接近，受力性能较优，而矩形桩、圆形桩、钢管桩与PHC管桩的桩身弯矩和剪力增长较快，桩基受力较大。由图8还可知，圆形桩的桩身最大正、负弯矩和正、负剪力分别较H型钢桩增大了96.3%，153.8%，56.6%和93.2%。当温差较大时，整体桥采用H型钢桩、工型UHPC桩或工型UHPC-矩形变截面桩可显著改善桩基的受力性能。

图8 恒载与整体升温组合作用下的桩基内力

在恒载与整体升温45 ℃组合作用下，整体桥的桩基受力显著，故图9(a)仅给出整体桥桩基在恒载与整体升温45 ℃组合作用下沿埋深方向的水平变形，图9(b)则给出了在恒载与整体升温0～45 ℃组合作用下的整体桥桩顶水平位移。通过研究发现，在恒载与整体升温45℃组合作用下桩身基本在埋深0～6.4D(0～4.48 m，D为700 mm)范围内产生了显著的变形，大于6.4D埋深以后桩基变形基本可忽略，表现出了柔性桩的变形性能。此外，H型钢桩、工型UHPC桩与工型UHPC-矩形变截面桩的桩顶变形明显更大，总体较矩形桩、圆形桩、钢管桩与PHC管桩增大了13.7%，表现出更好的侧向变形能力。

图9 恒载与整体升温组合作用下的桩基变形性能

4 参数分析

通过研究可知，整体桥采用H型钢桩、工型UHPC桩与工型UHPC-矩形变截面桩可有效改善主梁和桩基的受力性能。目前，H型钢桩已大量应用在整体桥中，但其仍存在打桩困难且易屈曲、易腐蚀等问题。UHPC作为一种具有高强度、高韧性、抗腐蚀等优点的新型材料，符合整体桥桩基的受力特点。为此，一种新型的整体桥UHPC桩基或UHPC与普通混凝土相结合的变截面桩被提出。整体桥桩基的侧向变形主要集中于桩基上段部分，桩基下段部分的变形较小，在桩基上段部分采用UHPC材料可减小桩基截面，提高其侧向变形能力，桩基下段部分采用普通混凝土矩形截面，主要起到竖向承载的作用。因此，整体桥采用UHPC-矩形变截面桩可有效地发挥2种材料的特性。

为了进一步探讨UHPC-矩形变截面桩在整体桥中的受力优势，分别开展桩基上部UHPC桩身与桩基下部矩形桩身的截面弱轴向抗弯刚度比、桩基上部UHPC桩长等参数分析。由表1可知，文中采用的UHPC桩段与矩形桩段的抗弯刚度比值为0.23，在此基础上分别取两者刚度比为0.13，0.23，0.33，0.63，0.93。UHPC桩节段长3 m，与桩基全长12.60 m的比值为0.24，故分别选取了UHPC桩段长与桩基总长之比0.12，0.24，0.36，0.48，0.74，1.00作为分析参数。图10和图11分别给出了在恒载与整体升温45℃组合作用下整体桥的主梁和桩基受力性能。

图10 恒载与整体升温45 ℃组合作用下的主梁弯矩

图11 恒载与整体升温45 ℃组合作用下的桩基变形性能

由图10和图11可知，变截面桩的UHPC桩段长度与侧向抗弯刚度对整体桥主梁和桩基受力的影响较大，主梁梁端最大正弯矩、跨内最大负弯矩与桩身最大弯矩均随着侧向抗弯刚度的增大而显著增大，桩顶水平变形则显著减小。然而，随着UHPC桩段长度的增大，主梁梁端最大正弯矩、跨内最大负弯矩与桩身最大弯矩首先出现明显的增长，而后基本趋于稳定状态，相反桩顶水平变形则先出现明显减小，随后趋于稳定。此外，UHPC桩段长度取为桩基总长的36%(4.54 m)时对于整体桥主梁与桩基的受力均较好，这与图9(a)显示的桩基显著变形区0～6.4D(0～4.48 m)较为吻合，也是UHPC桩段的经济长度。

5 结 语

(1)上坂大桥有限元模型的计算基频较实测值减小了5.5%，一阶模态均为横向侧飘，主梁分别在汽车偏载和中载作用下的竖向挠度与实测挠度较吻合，验证了有限元模型的合理性。

(2)随着整体温度的升高，各类桩基支撑的整体桥主梁最大正、负弯矩和剪力随之增大，梁端水平位移也呈现显著增长趋势，而主梁竖向挠度随之减小；在相同荷载工况下，采用不同类型桩基对整体桥梁端水平的影响很小。

(3)温差小于15 ℃时，整体桥采用不同类型桩基对其主梁和桩基的受力性能影响不大；随着温差继续增大，整体桥采用H型钢桩、工型UHPC桩或工型UHPC-矩形变截面桩时，其主梁和桩基表现出了更好的受力性能。

(4)随着温度的升高，桩基的最大正、负弯矩和剪力呈现显著增大，桩顶水平变形也呈现明显增长；桩身基本在埋深0～6.4D范围内出现较大变形，在更大埋深处基本可忽略，表现出了柔性桩的变形性能。

(5)随着变截面桩的上部UHPC桩段抗弯刚度的增大，主梁最大正、负弯矩与桩身最大弯矩显著增大，而桩顶水平变形显著减小；随着上部UHPC桩段长度的增加，主梁最大正、负弯矩与桩身最大弯矩首先出现明显的增长，而后基本趋于稳定，相反桩顶水平变形先出现明显减小，随后趋于稳定。UHPC桩段一般取为桩基总长的36%时，对整体桥主梁和桩基的受力较好，也是UHPC桩段的经济长度。