水下樁基加固中鋼套筒自行封底裝置受力分析

單成林， 吳鵬均

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

0 引言

水下樁基加固一種是耐久性加固，如橋梁水下樁基和水下墩柱混凝土出現(xiàn)空洞、露筋、開裂等病害時常采用外包鋼筋混凝土加固[1-3]，另一種是提高樁基承載力的加固，如在樁周灌漿、微型樁加固等[4-5]，文中只論述前者加固。外包混凝土加固時根據(jù)施工期間的現(xiàn)場和水位情況，一般水深3m以下可采用填筑圍堰的方式，抽干圍堰內(nèi)的水施工。水深超過3m時可采用鋼箱圍堰、混凝土箱圍堰等施工，但成本很高[6-7]。也就是說為了樁基少量的外包混凝土施工，附加措施費用要高出很多倍，往往讓人難以接受。近年來，國內(nèi)也引入過采用纖維復合材料套筒水下外包樁基，再往筒內(nèi)灌注環(huán)氧聚合物的加固方法[8-9]，雖然能解決封底問題，但由于纖維套筒內(nèi)壁與混凝土樁柱壁的空隙很小，而混凝土樁柱壁表面往往不規(guī)則，如彎曲、凸包、大空洞等都會使套筒合龍、灌漿困難，或因大量昂貴的環(huán)氧聚合物流入空洞造成浪費而難以適用?，F(xiàn)今大多采用以鋼套筒作為模板，澆筑水下混凝土的施工方法，即將圓形鋼套筒及鋼筋籠分為兩個半圓，分段加工制作，在水下包圍樁柱拼裝成圓筒，先插入河床澆筑水下封底混凝土，再逐段拼裝套筒和鋼筋籠，并逐段澆筑水下混凝土[10-11]。此法節(jié)省了大量附加措施費，成本大為降低，是目前常用的方法。但就是采用此法也還存在一個問題：無論病害在樁柱的任何位置，鋼套筒必須插入河床才能封底澆筑混凝土，即外包混凝土必須從河床面往上外包，如果因樁柱較長，病害位置又靠近水面，不需要從底包上來，只需外包上面一段時，采用此法還是有些浪費?；蛘邩吨子谢炷脸信_或橫梁時，則筒底封閉不了，不能采用此法。因此，現(xiàn)今的鋼套筒加固水下樁柱也是有條件的。文中發(fā)明的鋼套筒，主要是在筒底設置了澆筑水下混凝土時能自動封閉裝置，就像一個閥門，水可以進去，但混凝土落下時可憑借自重封閉筒底，以便澆筑水下混凝土，筒底可在樁柱任意位置封底施工，想外包哪一段樁柱就包哪一段。該種方法已授權國家發(fā)明專利[12]，模型試驗成功，正尋找相應加固工程實踐。以下主要是分析在外包混凝土施工時，筒底封閉裝置在不同尺寸參數(shù)變化對其受力及變形影響，以便工程應用時方便制作。

1 封底原理

文中所說的能自動封底的鋼套筒豎剖面圖見圖1，筒底是一塊圓環(huán)形封底鋼板，內(nèi)徑比被加固的混凝土樁柱略大，四周有幾厘米的空隙，以便鋼套筒下沉過程中適應樁柱表面的不規(guī)則及設置橡膠片閥門。橡膠片也為圓環(huán)形，內(nèi)徑與圓環(huán)形封底鋼板的內(nèi)徑一致，但外徑是封底鋼板外徑的2倍以上，見筒底局部大樣圖2，用襯托弧形鋼板的水平面部分壓住橡膠片內(nèi)環(huán)，通過周邊密布的螺栓將它們固定于圓環(huán)封底鋼板底面內(nèi)環(huán)邊緣。以上措施僅為水下混凝土初凝前的臨時性措施，襯托弧形鋼板的水平面長度、彎折弧度及厚度僅以能臨時固牢和不折破橡膠片為宜。橡膠片的非固定部分徑向剪開成扇形反向彎折伸入筒中，靠橡膠片的彈性貼附在樁柱周壁，水下混凝土落下時擠緊橡膠片使其更緊密地貼緊混凝土樁壁，起到自動封底的作用，從而可澆筑筒內(nèi)水下混凝土。因鋼套筒內(nèi)外靜水壓力平衡，水平向流水壓力對橡膠片的封閉作用無影響。

圖1 自動封底鋼套筒外包混凝土加固樁柱豎剖面圖Figure 1 Vertical section of strengthening pile for wrapping concrete with the steel sleeve of automatic sealing bottom

2 分析內(nèi)容

鋼套筒底部封底裝置能否順利封閉，取決于2個參數(shù)：封底圓環(huán)形鋼板與混凝土樁柱壁的空隙，即圖2中的d1；橡膠片的厚度d2。至于橡膠片與樁柱壁接觸高度方向的長度采用構造措施滿足，一般在25 cm以上。外包混凝土的厚度一般20～25cm左右。澆筑水下混凝土時，如果上述2個參數(shù)取值不當，都可能造成漏漿。因此以下通過有限元計算，分析這2個參數(shù)分別變化時橡膠片最大應力、變形等，以便工程應用中選取適當?shù)膮?shù)，保證施工過程的可靠性。

圖2 筒底封閉裝置豎剖面局部大樣圖Figure 2 Vertical section detail drawing of the sealing device of sleeve bottom

3 有限元模型的建立

3.1 模型尺寸

設水下樁基高度為8m，半徑為0.75m，現(xiàn)需對水下靠上部4.6m長一段進行外包混凝土加固，鋼套筒總高也為4.6m，鋼套筒和環(huán)形封底鋼板等厚度為5mm，外包混凝土厚20cm 鋼套筒半徑為0.95m，半模型剖面圖尺寸如圖3所示。鋼套筒下沉安裝時將筒底沿徑向剪開的扇形橡膠閥片通過襯托弧形鋼板條向上彎入筒中，橡膠片水平固定長度8cm，彎折弧度半徑4cm，與樁基混凝土壁接觸長度25cm，環(huán)形封底鋼板內(nèi)邊緣與樁壁空隙為d1，如圖2所示，橡膠閥片的厚度為d2，計算中其值待定。

圖3 半模型豎剖面尺寸圖(單位：mm)Figure 3 Vertical section size drawing of half model( Unit：mm)

3.2 單元類型及材料屬性

本計算采用大型通用有限元軟件ANSYS進行，為避免因為模型簡化和單元的不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的誤差，更加真實、準確地反映結構的力學性能，所以本文樁柱、鋼套筒及其環(huán)形封底鋼板、環(huán)形橡膠閥片均采用三維實體單元SOLID185建立計算模型，該單元為3D8節(jié)點結構實體單元，除具有單元SOLID45的塑性、蠕變、應力剛化、大變形、大應變、單元生死、初應力輸入等特性外，還具有超彈、黏彈和單元技術自動選擇等特性。同時為模擬緊貼樁柱表面橡膠片的滑移，在計算模型中采用接觸單元進行分析，橡膠片的接觸面采用CONTACT174單元，樁柱的接觸面采用TARGE170單元。CONTACT單元為3D8節(jié)點面面接觸單元，適用于3D結構的接觸分析。

本模型樁柱混凝土采用C30，外包混凝土采用C40，混凝土抗壓強度設計值fcd=15.64MPa，彈性模量Ec=32500MPa，重力密度ρ=2600kg/m3，泊松比為0.2；鋼套筒的鋼板彈性模量為206000MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.28；根據(jù)橡膠市場產(chǎn)品調(diào)查，橡膠片彈性模量一般為7.8MPa，密度為1300kg/m3，泊松比為0.47。

3.3 單元劃分

由于整個結構為圓柱形的軸對稱結構，所以可選擇結構的1/4模型計算，采用映射網(wǎng)格劃分后，全模型共有23299個單元，節(jié)點總數(shù)為 27264個，沿著樁柱高度方向為z軸。

網(wǎng)格劃分對計算精度和計算效率具有直接影響，模型中有橡膠閥片段的單元大部分網(wǎng)格尺寸為5cm，橡膠片彎折段適當加密，其余部分網(wǎng)格尺寸加大，從而提高計算效率。筒底局部有限元模型如圖4所示。

圖4 筒底局部有限元模型圖Figure 4 Local finite element model of sleeve bottom

3.4 邊界條件

橡膠片與樁柱混凝土外壁的接觸問題是一種高度非線性行為，隨著荷載等因素的變化，接觸面之間或接觸或分開，接觸區(qū)域存在不確定性，另外，大多數(shù)的接觸問題需要考慮摩擦作用。本次建模時采用ANSYS提供的接觸單元進行模擬面面接觸，由于混凝土的剛度相較于橡膠而言比較大，所以橡膠閥片作為接觸面，樁柱混凝土表面作為目標面。初始設置時，法向接觸剛度系數(shù)取FKN=0.01，因為較低的接觸剛度導致的侵入問題比過高的接觸剛度導致的收斂問題更容易解決；橡膠和混凝土的摩擦系數(shù)取0.25。

鋼套筒壁下端與環(huán)形封底鋼板焊接，頂端通過支架與混凝土樁柱固定，環(huán)形橡膠閥片通過螺栓固定于環(huán)形封底鋼板內(nèi)緣底部，以上連接均視為固結。由于本模型主要計算鋼套筒和橡膠的應力和變形，為簡化計算，螺栓連接處的應力集中不予考慮，樁柱底端采用固端約束；建模時分別建立各部幾何模型，最終通過VGLUE進行聯(lián)結成整體。

由于計算模型為圓柱體軸對稱結構，采用1/4模型計算時需要在截取的對稱截面上設置對稱約束。

3.5 加載方式

主要有樁柱、外包混凝土及鋼套筒自重，通過設置所使用的相應材料(混凝土、橡膠、鋼材)的密度和施加重力加速度(9.8 N/kg)計算。其中對橡膠閥片受力起作用的是外包混凝土荷載。

利用鋼套筒澆筑水下混凝土外包樁基實際施工時，一般首先澆筑50～60 cm厚的封底混凝土，待這部分混凝土初凝后繼續(xù)澆筑以上混凝土。作為橡膠閥片最不利的受力狀態(tài)是沒有先澆筑封底混凝土，而直接連續(xù)澆筑混凝土至筒頂，以下按此考慮。在加載時，需模擬流動狀態(tài)混凝土產(chǎn)生的壓力，混凝土壓力計算式如下：

P=γ·g·h

(1)

式中：P為混凝土壓力，N/m2;γ為流動混凝土的密度，kg/m3,扣除水的浮力后取1600;g為重力加速度，N/kg，取9.8；h為壓力點到外包混凝土頂面的高度，m,筒底取4.6。這樣筒壁四周豎向呈三角形分布的面荷載，筒頂為0，筒底荷載強度72128N/m2，圓環(huán)形筒底面按此荷載強度作為均布面荷載加載。

3.6 計算工況

為分析封底圓環(huán)形鋼板與混凝土樁柱壁的空隙d1和橡膠閥片厚度d2在澆筑水下混凝土施工時對封底裝置的力學性能影響，采用控制變量法分以下兩個工況計算：

工況一： 封底圓環(huán)形鋼板與混凝土樁柱壁的空隙取d1=40mm，橡膠閥片厚度分別取d2=2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 mm。

工況二： 橡膠閥片厚度取d2=2.5 mm，封底圓環(huán)形鋼板與混凝土樁柱壁的空隙分別取d1=30、 35、40、45、50、55、60、65 mm。

4 結果分析

4.1 橡膠閥片厚度對封底裝置的力學性能影響

按工況一，保持封底圓環(huán)形鋼板與混凝土樁柱壁的空隙d1=40mm不變，橡膠閥片厚度d2每次以0.5mm的增量，從2.5mm增至6mm，計算結果見表1。

表1 工況一計算結果Table 1 Calculation results of the first condition橡膠片厚度d2/mm橡膠片豎向下墜/mm橡膠片最大等效拉應力/MPa鋼套筒腳最大等效拉應力/MPa2.518.4152.7567.5703.015.9412.6447.6243.513.9642.5387.6634.012.3502.4397.6974.511.1682.3567.7355.09.7652.1347.6625.58.9272.0827.7066.09.2272.3168.027

從表1可以看出：在空隙d1不變的情況下，隨著橡膠閥片的厚度d2的增加，橡膠閥片的下墜幅度減小，厚度超過5mm時達到一定剛度下墜就趨于穩(wěn)定，說明太厚的橡膠閥片影響不大。盡管上述下墜包含了橡膠閥片的下滑和拉伸，但橡膠片最大下墜18.4mm遠未超過250mm，表明橡膠閥片沒有與樁柱外壁脫離接觸，即起到了封閉作用。橡膠片及鋼套筒壁與環(huán)形封底鋼板連接處的筒腳最大拉應力的變化很小，拉應力值也很小，不控制設計。工程用橡膠一般拉伸強度25MPa以上，拉斷伸長率650%以上，相對上述應力和變形都很小。

4.2 圓環(huán)形封底鋼板與混凝土樁柱壁的空隙對封底裝置的力學性能影響

按工況二，保持橡膠閥片厚度d2=2.5mm不變，圓環(huán)形封底鋼板與混凝土樁柱壁的空隙d1每次以5mm的增量，從30mm增至65mm，計算結果見表2。

表2 工況二計算結果Table 2 Calculation results of the second condition空隙寬度d1/mm橡膠片豎向下墜/mm橡膠片最大等效拉應力/MPa鋼套筒腳最大等效拉應力/MPa3016.922 3.090 8.007 3517.856 2.934 7.793 4018.415 2.756 7.570 4518.822 2.570 7.359 5025.784 2.550 7.257 5525.820 2.356 7.060 6020.628 2.041 6.879 6520.401 2.306 7.425

從表2可以看出：在橡膠片厚度d2不變的情況下，隨著圓環(huán)形封底鋼板與混凝土樁柱壁空隙d1的增大，橡膠閥片的下墜也越大，空隙55mm時下墜幅度最大，之后趨于穩(wěn)定，這是因為橡膠閥片下墜越大，其與樁柱壁接觸面積越大，產(chǎn)生的摩

阻力就越大，從而阻止了橡膠閥片的繼續(xù)下墜。同樣上述下墜包含了橡膠閥片的下滑和拉伸，但橡膠片最大下墜25.8mm，而橡膠閥片與樁柱外壁接觸長度為250mm，說明并非空隙d1越大，橡膠片下墜越大。橡膠片及鋼套筒壁與環(huán)形封底鋼板連接處的筒腳最大拉應力的變化很小，且拉應力值同樣很小，不控制設計。

5 結論

采用該種自行封底鋼套筒外包混凝土加固水下樁柱時，根據(jù)上述計算結果分析可得出：

a. 工程用橡膠閥片的厚度d2主要考慮施工及市場供貨的方便性，宜在2.5～5mm間，并非越厚封閉性越好。

b. 圓環(huán)形封底鋼板與混凝土樁柱壁空隙d1主要兼顧樁柱表面的不平整性及施工的方便性，并非空隙越大，橡膠閥片封閉性就越差，而是有個合理范圍，宜在30～50mm間，澆筑混凝土前橡膠片與樁柱表面接觸高度宜大于250 mm；材料強度不控制設計。