大跨斜拉橋樁基礎(chǔ)模擬方法分析

陳香杰， 曹 旭

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

大跨斜拉橋樁基礎(chǔ)模擬方法分析

陳香杰， 曹 旭

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

以廣州某中央雙索面混凝土斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，運(yùn)用Midas Civil軟件建立有限元模型，分析主塔樁基礎(chǔ)模擬的3種方法：直接固結(jié)法、六彈簧模擬法和m法對(duì)主梁沉降、臨時(shí)限位擋塊受力和主塔沉降的影響。通過(guò)分析對(duì)比，得出結(jié)論：直接固結(jié)法模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)整體剛度偏大且對(duì)結(jié)構(gòu)位移估計(jì)不足，計(jì)算出的主梁沉降較小，且臨時(shí)限位擋塊受力過(guò)大，主塔沉降不符合實(shí)際；六彈簧模擬法能夠較合理地模擬塔底的約束情況，主梁沉降和臨時(shí)擋塊受力較合理，主塔沉降符合實(shí)際；m法模型能較詳細(xì)地考慮樁基與橋梁結(jié)構(gòu)的共同作用，并且能夠反映樁土的共同作用，計(jì)算結(jié)果與六彈簧模擬法相近。因此，對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)和計(jì)算，建議采用六彈簧模擬法。

斜拉橋； 樁基礎(chǔ)； 直接固結(jié)法； 六彈簧模擬法； m法

0 引言

斜拉橋作為一個(gè)高次超靜定的柔性結(jié)構(gòu)，控制參數(shù)對(duì)其影響比較大。許多學(xué)者做了很多考慮樁土作用對(duì)大跨徑斜拉橋特性影響的研究。文獻(xiàn)[1，2]分析了考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)大跨度斜拉橋隨機(jī)地震動(dòng)響應(yīng)的影響，指出建立在柔性地基上的大跨度斜拉橋應(yīng)當(dāng)合理考慮基礎(chǔ)剛度效應(yīng)和樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用，不能簡(jiǎn)單地把基礎(chǔ)直接考慮為固結(jié)模式；文獻(xiàn)[3，4]分析了考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響，指出考慮樁土效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)剛度降低，自震周期變長(zhǎng)，對(duì)于大跨度斜拉橋的動(dòng)力分析，需要考慮基礎(chǔ)的樁土效應(yīng)；文獻(xiàn)[5]分析了考慮樁土水耦合效應(yīng)下對(duì)斜拉橋非線性的影響，指出大跨度斜拉橋需要考慮幾何非線性和材料非線性的作用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)考慮樁土效應(yīng)對(duì)斜拉橋主梁沉降、臨時(shí)限位擋塊受力和主塔沉降影響的研究并不多見(jiàn)。本文旨在就主塔是否考慮樁土效應(yīng)，建立3種斜拉橋樁基礎(chǔ)模擬模型，分析其對(duì)大跨徑斜拉橋主梁沉降、臨時(shí)限位擋塊受力和主塔沉降的影響。

1 樁基礎(chǔ)分析方法

目前對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)常用的簡(jiǎn)化分析方法有直接固結(jié)法、等效嵌固法、彈性嵌固法、六彈簧模擬法和Winkler地基梁模擬法[6]等。本文只分析直接固結(jié)法、六彈簧模擬法和Winkler地基梁模擬法3種分析方法。分別建立有限元模型，命名為模型1、模型2和模型3。

1.1 直接固結(jié)法

直接固結(jié)法忽略了樁基的影響，采用簡(jiǎn)化的方法在主塔底部直接固結(jié)。這對(duì)于模擬一些小跨徑橋梁是可行的。

1.2 六彈簧模擬法

六彈簧模擬法是在橋墩底部承臺(tái)施加6個(gè)方向的彈簧來(lái)模擬群樁的作用，也就是在模型中輸入6個(gè)方向的剛度來(lái)簡(jiǎn)化模擬群樁。這6個(gè)彈簧剛度分別是豎向剛度、順橋向剛度、橫橋向剛度的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個(gè)水平軸的抗彎剛度。各彈簧剛度是基于彈性地基梁法計(jì)算出沿樁長(zhǎng)分布的土彈簧，并根據(jù)靜力剛度等效原理，將其集中等效為承臺(tái)底部的土彈簧剛度。

1.3 Winkler地基梁模擬法(m法)

Winkler地基梁模擬法將樁看成處于土體中的梁，將樁周?chē)耐馏w對(duì)樁的動(dòng)力阻抗用一系列連續(xù)分布又相互獨(dú)立的彈簧以及阻尼器來(lái)代替，常用的分析方法有m法。m法指將橋梁結(jié)構(gòu)與群樁基礎(chǔ)共同考慮，將周?chē)馏w對(duì)群樁的作用模擬為沿樁深度變化的土彈簧，彈簧剛度根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63 — 2007附錄P計(jì)算。

3種模擬方法對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3種模擬方法對(duì)比樁基礎(chǔ)模擬方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)使用條件直接固結(jié)法建模簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快無(wú)法考慮樁土效應(yīng)，分析結(jié)果與實(shí)際不符小跨徑橋梁六彈簧模擬法建模簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，與實(shí)際較相符無(wú)法考慮樁基礎(chǔ)質(zhì)量的慣性作用，對(duì)于高樁承臺(tái)，忽略了樁的自由段大跨徑橋梁、需進(jìn)行動(dòng)力分析的橋梁m法能準(zhǔn)確反映樁土相互作用建模復(fù)雜，不能模擬彈塑性狀態(tài)，水平荷載較大時(shí)，計(jì)算誤差較大大跨徑橋梁、需進(jìn)行動(dòng)力分析的橋梁

2 有限元模型

2.1 工程背景

某半漂浮體系雙塔中央索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用柱式索塔，斜拉索采用準(zhǔn)輻射型布置，跨徑布置為(60+150+380+150+60)m=800 m。主梁采用大懸臂單箱五室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。箱梁頂面寬40.8 m，底面寬21.6 m，梁高4 m，橫隔板厚0.4 m。塔柱兩側(cè)分別設(shè)29對(duì)斜拉索，主梁索距6 m。整體布置如圖1所示。

索塔基礎(chǔ)采用20根直徑3.0 m的鉆孔灌注樁，橫橋向樁間凈距3.8 m，順橋向樁間凈距3.3 m。主梁采用復(fù)合式牽索掛籃懸臂澆筑施工，主梁通過(guò)主梁與索塔間的臨時(shí)限位擋塊和臨時(shí)鋼管樁臨時(shí)固結(jié)。待施工至29#塊時(shí)(主梁共分為29個(gè)塊段，輔助墩頂處為23#塊)，將主梁23#塊橫隔板加厚至2.4 m，并澆筑中央護(hù)欄間寬8 m，厚0.35 m，長(zhǎng)度為56 m的壓重混凝土，使主梁落在輔助墩頂支座處。待中跨合龍后拆除臨時(shí)限位擋塊和臨時(shí)鋼管樁，施工橋面鋪裝，完成施工。

圖1 整體布置圖(單位： cm)

2.2 模型建立

2.2.1 直接固結(jié)法(模型1)

將主塔、輔助墩和過(guò)渡墩墩底節(jié)點(diǎn)直接固結(jié)，模型見(jiàn)圖2。

2.2.2 六彈簧模擬法(模型2)

主塔、輔助墩和過(guò)渡墩墩底節(jié)點(diǎn)采用一般彈性支撐模擬，在剛度矩陣中分別輸入6個(gè)方向的剛度，如表2所示，模型見(jiàn)圖3。

2.2.3 m法(模型3)

建立主塔群樁基礎(chǔ)，主塔和群樁基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，由于樁頂處附近土體對(duì)樁基礎(chǔ)的力學(xué)行為影響較大，土體彈簧的設(shè)置應(yīng)采用“上密下疏”的原則，群樁基礎(chǔ)距樁頂10 m內(nèi)每2 m劃分一個(gè)單元，10 m以下每4 m劃分一個(gè)單元。本模型每

根樁基礎(chǔ)共劃分為16個(gè)節(jié)點(diǎn)和15個(gè)梁?jiǎn)卧鐖D4所示。各層土彈簧剛度如表3所示。

圖2 直接固結(jié)法模型

表2 六彈簧模型中的彈簧剛度位置SDx/(kN·m-1)SDy/(kN·m-1)SDz/(kN·m-1)SRx/(kN·m·rad-1)SRy/(kN·m·rad-1)SRz/(kN·m·rad-1)主塔611×106628×106695×107389×109687×109100×1012輔助墩、過(guò)渡墩115×106115×106800×106957×107957×107100×1012

圖3 六彈簧模擬法模型

圖4 m法模型

表3 各層土彈簧剛度距樁頂位置/m彈簧剛度/(kN·m-1)距樁頂位置/m彈簧剛度/(kN·m-1)2138×1054399×1056701×1058985×10510129×10614460×10618938×10622108×10726129×10730159×10734455×10738850×10742934×10746996×10750243×108

3 結(jié)果分析

3.1 3種模擬方法對(duì)主梁線型的影響

因邊跨合龍過(guò)程采用混凝土壓重工藝，使梁落到輔助墩頂處與支座接觸，完成合龍，因此該橋的立模標(biāo)高應(yīng)精確考慮。立模標(biāo)高過(guò)大，造成后期邊跨主梁支座脫空現(xiàn)象，影響橋梁的正常使用；立模標(biāo)高過(guò)小，將會(huì)影響支座的安裝，懸臂施工時(shí)主梁無(wú)法通過(guò)輔助墩。該橋主梁立模標(biāo)高取值為：梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高+10 a收縮徐變+1/2汽車(chē)活載+累積位移。主梁的沉降和立模標(biāo)高關(guān)系緊密，只有準(zhǔn)確地模擬塔底樁基礎(chǔ)的效應(yīng)，確定立模標(biāo)高，才能使施工更加安全、順利。

由表4、圖5可知，模型1的累積沉降值最小，由此得出的主梁立模標(biāo)高也最?。荒Ｐ?和模型3累積沉降值基本一致；在邊跨23#塊處模型1和模型2的累積沉降值相差14.9 mm，模型1和模型3相差15.3 mm，塊段編號(hào)越大，兩者的值相差越大。

表4 各模型主梁10a累積沉降值m位置模型1模型2模型3B290．37580．39260．3929B230．36530．38020．3806B170．28250．29450．2953B110．19410．20310．2043B060．12550．13230．1337B010．03460．03950．0409 注：限于篇幅，本文只提取邊跨關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的沉降值，B29表示邊跨29#塊。

圖5 主梁各節(jié)段沉降

3.2 3種模擬方法對(duì)臨時(shí)限位擋塊受力的影響

隨著懸臂施工的進(jìn)行，主梁和主塔之間的臨時(shí)限位擋塊受力越來(lái)越大，本文考慮中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前、后和整體升、降溫10 ℃時(shí)，臨時(shí)限位擋塊的受力情況，如表5、圖6所示。

表5 各工況臨時(shí)限位擋塊受力情況kN模型中跨合龍束張拉前中跨合龍束張拉后整體升溫10℃整體降溫10℃模型1267×103246×104-532×104595×104模型2246×103129×104-261×104295×104模型3253×103117×104-259×104275×104 注：受力方向往中跨側(cè)為正，往邊跨側(cè)為負(fù)。

圖6 各工況臨時(shí)限位擋塊受力

由表5可知，模型1各工況下臨時(shí)限位擋塊受力最大，特別是在整體升、降溫10 ℃工況下，模型1和模型2分別相差2.71×104kN和3.00×104kN，相差率為103.9%和112.1%，模型1和模型3分別相差2.73×104kN和3.20×104kN，相差率為105.5%和115.9%。

3.3 3種模擬方法對(duì)主塔沉降的影響

將主塔頂部(高程117.762 m)定義成A截面，主塔與主梁相接處(高程33.147 m)定義成B截面，主塔底部(高程6.574 m)定義成C截面，將承臺(tái)底部(高程-2.426 m)定義成D截面，計(jì)算各截面在成橋10 a后的沉降值。對(duì)比分析3種塔底模擬方式對(duì)主塔沉降的影響，結(jié)果如表6、圖7所示。

由表6可知，塔底按固結(jié)模擬，主塔各截面10 a沉降值最小，D截面的沉降值為0，這與實(shí)際不相符；塔底按六彈簧模擬和按m法模擬，主塔10 a沉降值基本一致，最大相差2 mm，按六彈簧模擬和按m法模擬能夠得到相似的結(jié)果；塔頂A截面處模型1和模型2最大相差6 mm，模型1和模型3相差8 mm；由表7、圖8可知，塔底樁基礎(chǔ)按m法模擬時(shí)，樁基距離樁頂位置越遠(yuǎn)，沉降值越小，當(dāng)距離樁頂30 m時(shí)，沉降值僅為0.37 mm，距離超過(guò)30 m時(shí)，沉降值可忽略不計(jì)。

表6 主塔各截面10a沉降值m模型A截面B截面C截面D截面模型1-0055-0013-00010000模型2-0061-0019-0007-0006模型3-0063-0021-0008-0007

圖7 主塔各截面沉降

表7 樁基各位置10a沉降值m距樁頂位置10a沉降距樁頂位置10a沉降2-745×10-34-665×10-36-581×10-38-500×10-310-424×10-314-324×10-318-227×10-322-131×10-326-710×10-430-370×10-434-180×10-438-600×10-542-200×10-546-100×10-550000

圖8 樁基各位置沉降

4 結(jié)論

以某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析比較了幾種常用的樁基礎(chǔ)模擬方法，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1) 對(duì)于無(wú)邊跨壓重和輔助墩的斜拉橋，塔底按3種方法模擬都能得到較準(zhǔn)確的預(yù)拱度值；但是對(duì)于有邊跨壓重和輔助墩的大跨徑斜拉橋，必須考慮塔底樁基礎(chǔ)的樁土作用，塔底按固結(jié)模擬將產(chǎn)生較大偏差，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)引起重視。

2) 塔底按固結(jié)模擬，使得結(jié)構(gòu)的計(jì)算剛度較實(shí)際剛度大，在計(jì)算塔梁臨時(shí)限位擋塊受力時(shí)出現(xiàn)偏大現(xiàn)象；按六彈簧模擬法和m法得到的臨時(shí)限位擋塊受力較符合實(shí)際。

3) 按m法模擬樁基，當(dāng)樁基埋深超過(guò)一定深度后，其沉降值非常小。建議當(dāng)樁基埋深超過(guò)30 m后，可不必按實(shí)際樁長(zhǎng)模擬樁基，以節(jié)約建模和計(jì)算時(shí)間。

4) 塔底固結(jié)法對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際的位移估計(jì)不足，實(shí)際橋梁不建議采取此簡(jiǎn)化方法模擬；m法能夠更加真實(shí)地模擬樁土的相互作用，但建模工作量大，且須按規(guī)范計(jì)算出各層土體的土彈簧剛度，增加了計(jì)算工作量；六彈簧模擬法建模工作量小，且可得出與m法相似的結(jié)果，適于常規(guī)設(shè)計(jì)使用。

[1] 武芳文，薛成鳳.樁 — 土 — 結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)超大跨度斜拉橋隨機(jī)地震動(dòng)響應(yīng)影響研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2010(2)：177-180.

[2] 段浪，金波.樁 — 土 — 結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)大跨度斜拉橋地震響應(yīng)的影響[J].力學(xué)季刊，2011(1)：81-90.

[3] 陳永健，張超，許莉，等.考慮樁土效應(yīng)的大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析[A].第21屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅱ冊(cè)[C]，2012.

[4] 雷堅(jiān)，祝兵.考慮樁 — 土 — 結(jié)構(gòu)相互作用的斜拉橋動(dòng)力特性分析[J].廣東公路交通，2008(4)：29-37.

[5] 陳文元.考慮樁土水耦合的大跨斜拉橋地震響應(yīng)與可靠度研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006.

[6] 孔德森.樁土相互作用分析中的動(dòng)力Winkler模型研究評(píng)述[J].世界地震工程，2005(1)：12-17.

1008-844X(2016)04-0071-05

U 448.27

A