某項(xiàng)目變截面箱梁主墩異形承臺(tái)計(jì)算淺析

吳光飛

摘 要：結(jié)合一座橋梁主墩異形承臺(tái)的計(jì)算為工程背景，對異形承臺(tái)建立空間實(shí)體模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析?；趯?shí)體單元模型和板單元模型的計(jì)算結(jié)果，對承臺(tái)進(jìn)行配筋計(jì)算，并按規(guī)范對承臺(tái)進(jìn)行“撐桿-拉桿體系”驗(yàn)算，從而對類似結(jié)構(gòu)計(jì)算提供設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：異形承臺(tái);有限元;實(shí)體單元;板單元

1 工程概況

某橋主橋上部采用變截面連續(xù)箱梁，跨徑為45+80+45 m，主墩采用實(shí)體墩，下接低樁承臺(tái)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。左幅9號(hào)主墩為避開現(xiàn)狀大直徑污水管道采用六邊形異形承臺(tái)設(shè)計(jì)，承臺(tái)厚3.5 m。

2 異形承臺(tái)計(jì)算

結(jié)合上部計(jì)算模型，提取計(jì)算上部反力，主墩墩頂最大反力結(jié)果如下：

另，墩身自重3 598 kN，承臺(tái)自重14 715 kN。

2.1 實(shí)體單元模型計(jì)算

2.1.1 模型簡介

采用大型通用有限元軟件ANSYS18.0進(jìn)行承臺(tái)實(shí)體模型的受力驗(yàn)算。為保證求解應(yīng)力的精度及實(shí)體網(wǎng)格劃分的效率，采用4面體10節(jié)點(diǎn)高階單元Solid 187進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。

同時(shí)，參考下節(jié)整體模型的計(jì)算結(jié)果，樁基建模長度取樁頂至樁基反彎點(diǎn)長度（樁基反向彎矩最大點(diǎn)），約為7.0 m，并考慮樁基為彈性支撐邊界條件，并采用彈簧單元模擬，彈簧剛度根據(jù)梁模型計(jì)算結(jié)果得到，支座豎向力及水平力按實(shí)際換算為均布荷載施加在墩頂墊石上。

2.1.2 變形計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合的變形云圖如下圖所示。

從上面的變形位移云圖可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組合下承臺(tái)最大撓度在2.0 mm左右，位置基本處于承臺(tái)的中心區(qū)域，對應(yīng)墩柱作用的位置（撓度值為最大位移值9 mm扣除承臺(tái)整體向下位移7 mm后的值）。

2.1.3 承臺(tái)應(yīng)力整體分布及彎矩剪力分布

單獨(dú)選取承臺(tái)結(jié)構(gòu)，考察混凝土的順橋向應(yīng)力、橫橋向應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力四項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo);并考察過墩柱中心點(diǎn)沿承臺(tái)順橋向、橫橋向切面的應(yīng)力分布，并積分得出相應(yīng)的彎矩值，沿墩柱側(cè)面切承臺(tái)，積分得到相應(yīng)切面的剪力值。

分別將上述應(yīng)力按全截面積分及選取峰值附近的單位長度區(qū)域積分，計(jì)算結(jié)果如下表：

2.1.4 墩柱計(jì)算結(jié)果

選取立柱底與承臺(tái)交接面處，在標(biāo)準(zhǔn)組合及基本組合下其豎向正應(yīng)力分布如下圖所示。

從上圖可以看出，立柱應(yīng)力呈現(xiàn)中間小兩邊大的特點(diǎn)，基于此將立柱截面分成如下圖三部分，考察每一部分的軸力分布情況：

將上述每個(gè)部分的正應(yīng)力進(jìn)行積分得軸力如下表所示：

2.1.5 樁基計(jì)算結(jié)果

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)組合、基本組合下各樁頂截面的軸力及順橋向、橫橋向彎矩，計(jì)算結(jié)果如下表所示：

2.2 板單元模型計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

承臺(tái)按板單元（厚板）模擬，樁基及立柱按梁單元模擬，樁基節(jié)點(diǎn)設(shè)置彈性支承模擬土作用。上部荷載豎向力按面荷載加載在承臺(tái)板單元上（墩柱范圍），根據(jù)上述實(shí)體單元模型計(jì)算結(jié)果，可得墩柱各部分（支座下邊柱區(qū)段、中間區(qū)段）各自分擔(dān)的力，計(jì)算相應(yīng)區(qū)段的平均面荷載（邊柱區(qū)段-2 513 kN/m2，中間區(qū)段-1 243 kN/m2），按此面荷載加到板單元模型中的墩柱區(qū)域。此外，另建了一個(gè)模型2，對整個(gè)墩柱區(qū)域取平均面荷載-2 033 kN/m2，其計(jì)算結(jié)果與按上述差異面載模型1計(jì)算結(jié)果相差不大，模型2的結(jié)果不再贅述。

為更為準(zhǔn)確模擬水平力在承臺(tái)上的作用位置，將墩身劃分為三列柱單元進(jìn)行模擬，每根立柱頂水平力為574/3=

192 kN。荷載加載按標(biāo)準(zhǔn)組合下荷載進(jìn)行加載，通過結(jié)果荷載組合中設(shè)置組合系數(shù)，可查看承載能力組合下計(jì)算結(jié)果。

2.2.2 樁基計(jì)算結(jié)果

各樁標(biāo)準(zhǔn)組合下最大樁頂軸力為7 236 kN～7 830 kN，基本組合下最大樁頂軸力為8 822 kN～9 564 kN。各樁基受力較為均勻，樁頂軸力相差不大。

各組合下樁頂力結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

2.2.3 承臺(tái)計(jì)算結(jié)果

（1）承臺(tái)變形：

承臺(tái)整體豎向變形為11.8 mm～13.9 mm，其中約12 mm為樁基縮短量，承臺(tái)本身最大變形約2.0 mm，變形最大區(qū)域?yàn)槌信_(tái)中間無樁區(qū)域。剛度滿足要求。

（2）承臺(tái)內(nèi)力：

從模型中讀取承臺(tái)板單元內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下：

承臺(tái)受力以正彎矩（下緣受拉）為主，主要為承臺(tái)中間區(qū)域;負(fù)彎矩相對較小，主要位于周邊樁頂附近，各組合下承臺(tái)縱橫向彎矩內(nèi)力值如下表：

2.3 承臺(tái)配筋結(jié)果

對比以上實(shí)體單元模型及板單元模型計(jì)算結(jié)果，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合，板單元模型計(jì)算結(jié)果略偏大些。按實(shí)體單元模型及板單元模型內(nèi)力值的較大值，對承臺(tái)進(jìn)行配筋驗(yàn)算（按鋼筋砼梁結(jié)構(gòu)模式驗(yàn)算），如圖8（荷載以恒載為主，活載較小，故頻遇組合、準(zhǔn)永久組合內(nèi)力值與標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值相差不大，可按標(biāo)注組合內(nèi)力值取算，偏安全）。

2.4 “撐桿-拉桿體系”驗(yàn)算

基于以上板單元模型和實(shí)體單元模型計(jì)算結(jié)果及內(nèi)力值（取板單元和實(shí)體單元模型的較不利結(jié)果），對承臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算。主要驗(yàn)算結(jié)果如下：

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，承臺(tái)滿足“撐桿-拉桿體系”要求。

3 結(jié)語

本文對大橋異形承臺(tái)進(jìn)行了計(jì)算分析。首先通用建立實(shí)體模型計(jì)算分析，了解承臺(tái)受力不利位置及應(yīng)力情況;其次由于承臺(tái)異形，常規(guī)驗(yàn)算較難準(zhǔn)確、實(shí)體計(jì)算不能直接得出配筋信息，故再建立板單元模型（承臺(tái)按板單元模擬，樁按梁單元或邊界條件模擬），得出承臺(tái)板的彎矩值，按梁結(jié)構(gòu)計(jì)算配筋并驗(yàn)算承載能力和正常使用極限狀態(tài);最后通過表格公式驗(yàn)算規(guī)范要求驗(yàn)算的內(nèi)容。

通過對比實(shí)體單元模型及板單元模型計(jì)算結(jié)果，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合，板單元模型計(jì)算結(jié)果略偏大些，可按板單元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行承臺(tái)配筋計(jì)算，同時(shí)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)增加承臺(tái)厚度對承載力貢獻(xiàn)比較明顯。

利用有限元軟件可以很好地考慮結(jié)構(gòu)的力邊界條件和位移邊界條件，能比較精確地計(jì)算異形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，同時(shí)采用撐桿加拉桿體系方法對承臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)算，可以確保設(shè)計(jì)結(jié)果滿足規(guī)范要求，合理地確定鋼筋用量。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]袁倫一.樁基承臺(tái)設(shè)計(jì)方法淺談[J].公路，1999（4）：12-19.

[4]胡敏.新規(guī)范關(guān)于樁基承臺(tái)計(jì)算方法的分析比較[J].交通運(yùn)輸研究，2009（12）：34-38.