基于全橋有限元模型的樁基缺陷影響分析

秦小平,全恩懋

摘 要：目前橋梁樁基的計算分析方法大多是沿用設(shè)計理論的基于簡化模型的公式計算方法，該方法計算結(jié)果具有足夠的安全系數(shù)，對樁基設(shè)計是適用的，但對于在役橋梁樁基的分析則不夠精確。針對發(fā)現(xiàn)施工缺陷的在役橋梁樁基，提出了一種與橋梁實際狀態(tài)更貼近的有限元計算方法。該方法首先通過橋梁檢測和地質(zhì)勘察獲得橋梁計算相關(guān)參數(shù)，再建立有限元模型，通過在全橋有限元模型上施加各種荷載，計算分析得到樁基承載力及使用性能結(jié)果。

關(guān)鍵詞：橋梁樁基;有限元計算;樁基承載力

橋梁樁基屬于地下結(jié)構(gòu)與巖體、土體間通過摩擦、擠壓等傳遞橋梁上部荷載，由于巖土受力性質(zhì)具有嚴(yán)重的非線性，樁周土、石的受力通常較為復(fù)雜。國內(nèi)外樁身內(nèi)力、位移的計算理論已有不少，我國土木領(lǐng)域普遍采用基于文克爾假定的彈性地基梁法，即將樁視為彈性地基上的梁進(jìn)行樁基設(shè)計計算。在公路橋梁中，樁基設(shè)計采用“m-法”[1]。為簡化工作內(nèi)容，提高工作效率，目前設(shè)計計算中上下部結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)通常分開計算，即先算出墩頂內(nèi)力再進(jìn)行樁基計算，該計算思路忽略了土體對橋墩剛度的影響，對水平作用如制動力、溫度力、風(fēng)力等荷載的實際內(nèi)力效果無法精確模擬。此外，樁基計算通過半解析公式進(jìn)行，按條件劃分成剛性樁和彈性樁，采用不同的計算方法，而實際工程中“彈性”和“剛性”無法簡單的劃分。因此，本文提出采用建立全橋有限元的方法，將上下部結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)、樁周巖土同時計算，并結(jié)合工程實例進(jìn)行分析。

1 橋梁狀況檢測分析

1.1 工程概況

某高速公路特大橋引橋為12×30 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼T梁，共分為三聯(lián)，第1聯(lián)為4×30 m構(gòu)造，第2聯(lián)為5×30 m構(gòu)造、第3聯(lián)為3×30 m構(gòu)造，橫向采用5片T梁。根據(jù)樁基鋼筋檢測結(jié)果資料，現(xiàn)場抽查5-0#墩柱樁基鋼筋布置與設(shè)計不符，鋼筋數(shù)量原設(shè)計為38根，實測為19根。需評定樁基缺陷的影響。

1.2 橋梁檢測情況

（1）上部結(jié)構(gòu)：對全橋引橋T梁進(jìn)行了外觀檢查，未見明顯病害，各墩頂區(qū)域T梁梁端及現(xiàn)澆連續(xù)段未見裂縫等病害。對全橋引橋T梁支座進(jìn)行了外觀檢查，板式橡膠支座未見嚴(yán)重的剪切、轉(zhuǎn)角變形及嚴(yán)重脫空、串動等現(xiàn)象，支座墊石狀況較好。

（2）下部結(jié)構(gòu)：對全橋引橋共11個橋墩（梧州岸11個）進(jìn)行了外觀檢查，共44個墩柱、22個蓋梁均未發(fā)現(xiàn)明顯病害;對墩柱尺寸進(jìn)行抽查，合格率為100%。從橋墩檢查情況看，下部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量總體較好，橋墩部件技術(shù)狀況等級為1，對應(yīng)的缺損狀況評定標(biāo)度值為1。墩柱尺寸（周長）抽查結(jié)果表明墩柱施工尺寸與設(shè)計尺寸偏差為-2 cm～2 cm。抽取1個下部樁基進(jìn)行重新開挖，對露出的樁基部分進(jìn)行了外觀檢查，未見明顯病害。墩柱電位水平最低值為-78.71 mV，大于-200 mV，鋼筋銹蝕電位評定標(biāo)度值為1。墩柱鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne為44.9 mm，設(shè)計值Dnd為40 mm，Dne/Dnd為1.12，大于0.95，鋼筋保護(hù)層厚度評定標(biāo)度值為1。墩柱混凝土推斷強度勻質(zhì)系數(shù)Kbt為1.60，平均強度勻質(zhì)系數(shù)Kbm為1.82，混凝土推斷強度勻質(zhì)系數(shù)Kbt大于0.95，平均強度勻質(zhì)系數(shù)大于1.00，混凝土強度評定標(biāo)度值為1。

（3）幾何測量：對引橋橋面線形進(jìn)行了檢測，橋面高程曲線基本平滑，無突變點，墩頂位置測點未見異常。表明引橋基礎(chǔ)未見明顯豎向沉降。對引橋墩柱進(jìn)行了垂直度檢測，引橋墩柱垂直度合格率為95.5%，經(jīng)分析，存在的偏位超限可能為施工原因造成。引橋基礎(chǔ)未見明顯水平變位和轉(zhuǎn)角。

（4）橋位環(huán)境調(diào)查：梧州岸引橋兩側(cè)主要為民房建筑，第5跨上跨鄉(xiāng)村道路，右幅4#墩下建筑未拆除完全，橋下安全區(qū)均未見重載堆載現(xiàn)象，橋址周圍未見工廠等地下水污染源。從橋位環(huán)境判斷，引橋樁基未受侵蝕性環(huán)境水影響。

（5）地質(zhì)勘察結(jié)果：根據(jù)橋梁施工圖設(shè)計文件、地質(zhì)勘察報告，綜合土層厚度、樁長等因素，有代表性的選取5#墩進(jìn)行地質(zhì)勘察鉆孔。結(jié)果表明：5#墩處土層厚度實測2.5 m，施工圖為8.9 m，二者相差6.4 m。土樣、巖樣物理、力學(xué)性質(zhì)與施工圖基本一致。橋梁地質(zhì)狀況滿足設(shè)計要求。通過復(fù)核橋梁樁基檢測資料，樁基長度均滿足設(shè)計要求;樁基嵌巖情況未查閱到相關(guān)資料。

2 橋梁檢算參數(shù)計算

2.1 樁基土彈簧參數(shù)

結(jié)合橋梁施工圖紙、地質(zhì)勘察報告及本次地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，樁基地基土的比例系數(shù)m可取為20 000 kN/m4，巖石地基抗力系數(shù)C0可取為15 000 000 kN/m4，土層厚度仍偏安全的按照地質(zhì)勘察報告進(jìn)行確定，根據(jù)“基礎(chǔ)規(guī)范”計算樁基各位置的等代土彈簧剛度Ks。計算結(jié)果見表1。

2.2 典型活載作用

2.2.1 溫度荷載

根據(jù)設(shè)計文件說明部分相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)澆墩頂部T梁間連續(xù)段溫度為15℃～20℃。參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015，以下簡稱“通用規(guī)范”）表4.3.12-2，南寧、廣州地區(qū)混凝土橋有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值最高最低分別為34℃和0℃。偏安全的確定橋梁整體升溫20℃，整體降溫20℃。根據(jù)橋面瀝青混凝土鋪裝厚度，溫度梯度按T梁頂面日照正溫差T1=20℃，T2=6.7℃，日照負(fù)溫差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.2 汽車荷載制動力

根據(jù)“通用規(guī)范”第4.3.5條，一個設(shè)計車道上汽車荷載產(chǎn)生的制動力按車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長度上計算的總重力的10%計算，但公路—Ⅰ級汽車荷載的制動力標(biāo)準(zhǔn)值不得小于165 kN。同向行駛?cè)嚨罏橐粋€設(shè)計車道的2.34倍。計算得，第2聯(lián)、第6聯(lián)橋1車道制動力為189.5 kN，則該聯(lián)汽車荷載制動力為443.43 kN。

2.2.3 風(fēng)荷載

按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）計算主梁、橋墩的縱、橫向風(fēng)荷載。

3 計算方法及有限元模型

本次檢算采用有限元建立全橋模型進(jìn)行計算，樁側(cè)土考慮為土彈簧。若需采用“C”法、“m”法等簡化解析計算方法進(jìn)行驗證，可參考《桂平官侯郁江特大橋引橋橋梁樁基承載能力計算書》、《K124+770桂平官侯郁江特大橋引橋橋墩樁基核算書》等資料計算結(jié)果，并按“評定規(guī)程”第7.3條進(jìn)行承載能力和裂縫寬度評定。

根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場檢測結(jié)果，將結(jié)構(gòu)離散為空間桿模型系，第2聯(lián)模型共2 149個桿系單元，1 526個節(jié)點。其中上部T梁采用梁格模型，共1 885個單元，橫向連接采用不計容重的虛擬橫梁，簡支端支座采用彈性支承，連續(xù)端支座采用彈性連接，彈性支承及彈性連接參數(shù)按設(shè)計的支座規(guī)格進(jìn)行計算。蓋梁及支座墊石共92個單元，蓋梁單元和支座墊石單元間采用剛性連接。第2聯(lián)樁基共160個單元，樁基土彈簧采用彈性支承進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)分析程序采用Midas Civil，有限元模型見圖2～圖4。

4 計算結(jié)果

4.1 承載能力極限狀態(tài)

在作用基本組合下，第2聯(lián)樁基計算抗力值均大于內(nèi)力值，表明其承載力滿足要求?，F(xiàn)狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)比較，樁基安全儲備變化情況見表2。

4.2 正常使用極限狀態(tài)

在作用頻遇組合下，第2聯(lián)僅5#墩樁基出現(xiàn)拉應(yīng)力，裂縫寬度最大值為0.079 4 mm，裂縫寬度滿足要求，其余樁基均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，計算表明第2聯(lián)下部樁基正常使用極限狀態(tài)仍有一定應(yīng)力儲備，抗裂性能滿足要求?，F(xiàn)狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)比較，樁基裂縫寬度變化情況見表3。

5 結(jié)論

采用建立全橋有限元模型的方法，將上下部結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)、樁周巖土同時進(jìn)行計算，可以更客觀的計入上下部結(jié)構(gòu)對樁基的影響，更準(zhǔn)確的計算各種荷載在樁基的內(nèi)力作用，從而解決了人工計算上下部結(jié)構(gòu)剛度時計算假定過多、精度不足、偏于保守的問題，提高了檢算結(jié)果的精度，能夠給評估工作提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

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