基于ABAQUS的整体桥UHPC桩基性能分析

江浩伟

(湘潭市规划建筑设计院有限责任公司， 湖南 湘潭 411100)

整体桥取消了伸缩缝及伸缩装置，主梁与桥台固结，形成整体。整体桥的主梁在温度、地震等作用下会产生纵桥向位移，并带动下部桥台与桩基一起发生位移。为适应上部主梁的变形，国外多使用H形钢桩作为基础，中国则使用砼桩基。相比H形钢桩，砼桩基更易开裂损坏，无法满足整体桥对桩基变形的需求。

超高性能砼(UHPC)具有高强度、高密实度和高耐久性。张永涛等针对常规钻孔灌注桩、打入桩在远海珊瑚礁地质条件下的适应性问题,提出了一种预制UHPC-灌注RC(钢筋砼)组合桩基结构；陈宝春等为增大桥台基础柔度,适应整体桥纵桥向变形需要,提出了上部采用UHPC、下部采用RC的UHPC-RC阶梯桩；戴沂新将H形UHPC桩应用于整体桥,代替原桥的矩形RC桩，结果表明H形UHPC桩能更好地降低主梁的弯矩；彭俊杰提出一种装配式非预应力UHPC管桩，并采用有限元软件ABAQUS对其承载能力进行分析，结果表明其承载能力比传统预应力高强度砼(PHC)管桩有很大提升。该文采用ABAQUS软件，对整体桥UHPC桩的性能进行分析。

1 工程概况

广东清远四九桥为中国第一座整体式全无缝桥梁，全长75.48 m，桥面横向宽度8.5 m，梁高0.75 m。桥台宽度8.5 m，厚度0.7 m，高度3.8 m。采用单根砼桩，桩径1.5 m。桥台采用C30砼，桩基采用C25砼。桥台和桩基的尺寸见图1。

图1 广东清远四九桥桥台布置(单位：cm)

以该桥为原型建立ABAQUS模型，进行RC桩基和UHPC桩基性能对比分析。UHPC桩基的材料参数见表1。

表1 UHPC桩基的材料参数

2 ABAQUS模型建立及加载

2.1 单元类型及材料属性

建模时主要考虑土体、桩基和配重块。桩基直径为1.5 m，为满足柔性桩的要求，桩长设置为10 m。为考虑土对桩基的约束作用，在桩基四周设置土体，考虑土体的边界效应，建立10 m×10 m×10 m土体。考虑主梁、桥台对桩基的作用，在桩基顶部设置配重块。土体、桩基和配重块采用三维实体单元模拟，钢筋使用线单元的桁架来模拟。土体采用黏土，使用摩尔-库伦本构模型；砼采用砼损伤本构模型；钢筋采用PQ-Fiber中的USteel02本构模型。有限元模型见图2。

图2 UHPC桩有限元模型

2.2 装配和分析步

部件中建立钢筋纤维，在装配中将钢纤维合并组装成钢筋笼(见图3)。设置2个分析步：第一步对土体进行地应力平衡，第二步进行加载。

图3 钢筋笼

2.3 边界条件与相互作用

土体沿X方向的前后两面约束X方向位移，沿Y方向的作用两面约束Y方向位移，土体底面约束X、Y和Z3个方向的位移。桩底面、土体底面的边界设置相同，约束X、Y、Z3个方向的位移。相互作用使用面-面接触模拟，主要设置桩基外表面与土的接触。为模拟钢筋笼与砼桩基的作用效应，建立内置约束，将钢筋笼内置于桩基中。

2.4 模型加载

整体桥的梁端位移一般最大不超过16 mm。为分析UHPC桩基的性能，加载至50 mm，第一次加载2 mm，20 mm前每次加载增加2 mm，20 mm后每次加载增加5 mm。

3 UHPC桩基性能分析

整体桥在温度、地震等荷载作用下沿纵桥向发生的位移主要由下部结构来吸收，而桩基是吸收变形的主要结构。目前国内多使用RC桩基作为基础，其变形效果不好，需采用承受变形能力更好的桩基来吸收变形。下面通过RC桩基与UHPC桩基的对比，分析UHPC桩基的性能。

3.1 桩基位移变形

如图4(a)所示，加载位移为0～20 mm时，RC桩基的水平位移随着埋深的增大而逐渐减小，桩底位置位移为零，桩基的变形弯曲较圆滑；加载位移为30～50 mm时，在距离桩底5.2 m处位移曲线出现折点，表明上半部桩基发生了很大变形，桩基发生了破坏。

如图4(b)所示，UHPC桩基的0～50 mm位移曲线都较连续和圆滑，体现了UHPC桩基的高强度、高耐久性，在大位移加载下结构也不会发生破坏，充分发挥了其吸收变形的能力。

图4 桩身位移

从图4来看，加载位移为16 mm时，RC桩基和UHPC桩基的桩顶位移相差无几，桩基变形规律也类似，这是因为加载位移较小，在桩基的变形承载范围内；而在大位移加载(50 mm)时，桩顶的最大位移，UHPC桩基大于RC桩基，表明UHPC桩基适应大位移变形的能力比RC桩基强。

3.2 桩身弯矩

如图5所示，在水平位移荷载作用下，RC桩基和UHPC桩基的桩身弯矩都呈两端小、中间大的凸起状。由于有限元模拟时在桩底采取铰约束，桩底弯矩为零；模型在桩底上设置配重块，加载位置位于配重块上，桩基顶部亦产生弯矩。在加载位移为20 mm时，RC桩基在距离桩底6.67 m处弯矩最大，为1.109×106N·m；UHPC桩基在距离桩底5.55 m处弯矩最大，为1.501×106N·m。在加载位移为50 mm时，RC桩基和UHPC桩基的桩身最大弯矩分别为1.579×106N·m、3.467×106N·m。表明在相同加载位移下，UHPC桩基的最大弯矩更接近于桩基中点位置，UHPC桩基的受力性能优于RC桩基，其水平承载能力也更好，能更好地满足整体桥对桩基变形的要求。

图5 桩身弯矩

4 桩径对UHPC桩基性能的影响

四九桥的桩径为1.5 m。分别建立桩径为1.2 m、1.5 m、1.8 m的UHPC桩基模型，分析桩径对UHPC桩基性能的影响，结果见图6。

由图6可知：在加载位移为20 mm时，不同桩径UHPC桩基的变形规律基本一致，直径1.2 m时桩基变形曲率最大，桩径1.8 m变形曲率最小，接近于直线。在加载位移为50 mm时，1.5 m、1.8 m桩径桩基的变形相似，1.2 m桩径桩基的变形则明显不同，1.8 m桩径桩基的弯曲变形最小，接近直线。可见，桩径减小，可增加桩基的柔性，增强其变形能力；增大桩径，会增大桩基的刚度，降低其变形能力。因此，桩基的直径不宜过大。

图6 不同桩径下UHPC桩身位移

5 结论

(1) 相比RC桩基，UHPC桩基具有更好的变形能力，且能适应主梁在荷载作用下产生的更大位移。在大位移(大于20 mm)作用下，RC桩基易发生开裂破坏，而UHPC桩不会发生开裂破坏。

(2) 增大UHPC桩基的直径，会增大桩基的刚度，降低其变形能力；减小UHPC桩基的直径，能增大其柔性，提高其吸收变形能力。UHPC桩基的直径不宜过大。