系梁對(duì)啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)承載特性的影響研究

黃 潔

[上海市政設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著交通流量的逐年增加，我國(guó)新建及擬建橋梁結(jié)構(gòu)的橋面寬度逐漸加大。因此，橋梁基礎(chǔ)承臺(tái)的平面尺寸逐漸增大。為了保證承臺(tái)與樁基之間的相對(duì)剛度，減小承臺(tái)自身的重量，分離式的啞鈴型承臺(tái)逐漸成為目前大跨橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)常采用的一種形式。與整體式承臺(tái)不同，分離式的啞鈴型承臺(tái)是由兩個(gè)獨(dú)立的承臺(tái)之間通過(guò)一根系梁連接而成。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)的受力性能進(jìn)行了一定的研究。目前，系梁剛度及樁基布置對(duì)啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)承載變形特性的影響研究不多。

在目前的實(shí)際工程中，承臺(tái)系梁一般采用鋼筋混凝土材料。系梁的截面尺寸如何設(shè)計(jì)對(duì)啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)受力更有利，系梁底布置樁基是否合適等問(wèn)題并沒(méi)有得到論證。因此，現(xiàn)將結(jié)合有限元方法、橋梁結(jié)構(gòu)理論[1]及公路橋梁規(guī)范[2-3]，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，以期對(duì)啞鈴型承臺(tái)的設(shè)計(jì)和使用提供指導(dǎo)。

1 啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)計(jì)算模型

現(xiàn)以一實(shí)際橋梁工程的啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)為背景，建立有限元分析模型。該橋主橋上部結(jié)構(gòu)為漂浮體系斜拉橋。主墩承臺(tái)為啞鈴型承臺(tái)，主墩每側(cè)啞鈴型部分半徑18.7 m，其下布置28 根2500 mm 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)79 m，沖刷線以上樁長(zhǎng)9.2 m。承臺(tái)圓柱形部分高11 m，園錐形部分高5 m。

現(xiàn)結(jié)合有限元法，使用MIDAS FEA 軟件進(jìn)行建模。橋墩和承臺(tái)系梁采用有限元實(shí)體單元模擬，樁基采用梁?jiǎn)卧M，轉(zhuǎn)換模型重量為集中質(zhì)量。承臺(tái)與墩底、系梁和樁頂剛性連接，樁底固結(jié)。上部結(jié)構(gòu)作用于橋墩頂部，上部結(jié)構(gòu)傳遞的單個(gè)墩柱主要荷載如表1 所列，其中汽車荷載與上部結(jié)構(gòu)恒載為對(duì)稱荷載，橫向風(fēng)荷載為反對(duì)稱荷載；分析模型如圖1 所示。

表1 FEA 計(jì)算荷載匯總表（單個(gè)墩柱）

圖1 啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)有限元模型

2 不同寬度系梁對(duì)啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載特性的影響

2.1 不同寬度系梁對(duì)系梁自身的內(nèi)力影響

現(xiàn)建立不同寬度（B=12、16、20 m）系梁的有限元模型，系梁高H=11 m，分析不同寬度系梁在各類型荷載作用下對(duì)系梁中點(diǎn)內(nèi)力的影響。系梁中點(diǎn)內(nèi)力反應(yīng)出系梁傳遞承臺(tái)間的內(nèi)力，同時(shí)也控制著系梁本身結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算。

表2～表5 分別為啞鈴型承臺(tái)在自重作用、上部結(jié)構(gòu)恒載、橫向風(fēng)荷載作用下，以及汽車荷載作用下系梁中點(diǎn)內(nèi)力對(duì)比表。從表中可以看出，除了在橫向風(fēng)作用下系梁中點(diǎn)內(nèi)力幾乎為零。系梁寬度越寬，系梁抗彎剛度則越大。系梁寬度B=20 m 比系梁寬度B=12 m 的抗彎剛度增加66%，在自重作用下，系梁中點(diǎn)產(chǎn)生了很大的軸力，以及彎矩，軸力增加54.9%，彎矩增加112%。在橫向風(fēng)作用、上部結(jié)構(gòu)恒載，以及汽車荷載作用下，隨著系梁的增寬，系梁傳遞的軸力沒(méi)有變化，彎矩分別增加了39.79%、35%，以及37.31%。

表2 自重作用下不同寬度系梁中點(diǎn)內(nèi)力表

表3 橫向風(fēng)荷載作用下不同寬度系梁中點(diǎn)內(nèi)力表

表4 上部結(jié)構(gòu)恒載作用下不同寬度系梁中點(diǎn)內(nèi)力

表5 汽車作用下不同寬度系梁中點(diǎn)內(nèi)力

綜上所述，系梁寬度影響著系梁剛度，系梁剛度影響了系梁在承臺(tái)間傳遞的剪力與彎矩，但對(duì)系梁在承臺(tái)間傳遞的軸力影響很小。

系梁在自重作用時(shí)，主要向承臺(tái)傳遞系梁自身重力，隨著系梁寬度增加，自身重力的增量及百分比都很大，對(duì)結(jié)構(gòu)不利；在橫向風(fēng)荷載、上部結(jié)構(gòu)恒載，以及汽車荷載作用下，隨著系梁寬度增加，剛度增大，傳遞的剪力或彎矩有較大增加，對(duì)結(jié)構(gòu)有利。自重作用下增加的對(duì)承臺(tái)不利彎矩，要明顯大于其他荷載作用下對(duì)承臺(tái)傳遞的有利彎矩。

2.2 不同寬度系梁對(duì)樁頂反力分布的影響

在上述不同寬度（B=12、16、20 m）系梁的有限元對(duì)比模型的基礎(chǔ)上，分析不同系梁寬度對(duì)啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)樁頂反力分布的影響。

表6～表9 分別為啞鈴型承臺(tái)自重作用、橫向風(fēng)荷載作用、上部結(jié)構(gòu)恒載及汽車荷載作用下樁頂反力對(duì)比表。從表中可以看出，隨著系梁寬度增加，自重作用下樁頂最大軸力及最大彎矩都增加，對(duì)樁基結(jié)構(gòu)受力不利。其他上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，隨著系梁寬度增加，樁頂最大軸力及彎矩都有所減小。其中，由于在橫向風(fēng)作用下，系梁傳遞剪力，所以最大軸力減小的幅度最大。

表6 自重作用下樁頂反力表

表7 橫向風(fēng)荷載作用下樁頂反力

表8 上部結(jié)構(gòu)恒載作用下樁頂反力

表9 縱向汽車荷載作用下樁頂反力

啞鈴型承臺(tái)隨著系梁寬度增加，系梁自重增加，向承臺(tái)傳遞很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致樁頂反力增加很大。在其他荷載作用下，系梁向承臺(tái)間傳遞的軸力變化百分比很小，傳遞的彎矩有所增加，但彎矩一般均分至承臺(tái)底的眾多樁頂上，從而導(dǎo)致樁頂最大軸力及彎矩有所增加，但增加百分比很小。

3 不同高度系梁對(duì)啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載特性的影響

3.1 不同高度系梁對(duì)系梁自身的內(nèi)力影響

建立了對(duì)比有限元模型，其系梁取不同高度H=11 m 及H=7 m，系梁寬度取B=12 m，對(duì)比分析系梁高度在各類型荷載作用下對(duì)系梁中點(diǎn)內(nèi)力的影響。系梁中點(diǎn)內(nèi)力反應(yīng)出系梁傳遞承臺(tái)間的內(nèi)力，同時(shí)也控制著系梁本身結(jié)構(gòu)的承載力。

表10 為啞鈴型承臺(tái)在自重作用下系梁中點(diǎn)內(nèi)力對(duì)比表。系梁高度越高，系梁抗彎剛度則越大。系梁高度H=7 m 比系梁寬度H=11 m 的抗彎剛度減小了74.2%，在自重作用下，系梁中點(diǎn)軸力減小16.52%，彎矩減小65.84%。同時(shí)通過(guò)研究表明：在橫向風(fēng)作用、上部結(jié)構(gòu)恒載，以及汽車荷載作用下，隨著高度的減小，系梁傳遞的軸力變化百分比很小，彎矩分別減小了67.64%、70.79%及69.53%。在橫向風(fēng)作用下，系梁傳遞的剪力減小了27.8%。

表10 自重作用下不同高度系梁中點(diǎn)內(nèi)力對(duì)比表

綜上所述，由于系梁高度比寬度對(duì)系梁剛度的影響更大，系梁增加高度比系梁增加寬度，在系梁自重作用下對(duì)承臺(tái)不利影響更?。辉谄渌奢d作用下，系梁傳遞的彎矩增加百分比也更大，對(duì)結(jié)構(gòu)的有力影響也更大。不同高度系梁在其他荷載作用下在承臺(tái)間傳遞的軸力相近。

3.2 不同高度系梁對(duì)樁頂反力的影響

在上述不同高度的有限元對(duì)比模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)分析系梁高度在各荷載類型作用下對(duì)樁頂反力的影響。

表11 為啞鈴型承臺(tái)自重作用下樁頂反力對(duì)比表。從表中可以看出，隨著系梁高度減小，自重作用下樁頂最大軸力及最大彎矩都減小，對(duì)樁基結(jié)構(gòu)受力有利。同時(shí)通過(guò)研究表明，在橫向風(fēng)荷載作用下，由于系梁傳遞剪力及彎矩，承臺(tái)底樁基最大軸力增加12.71%，對(duì)樁基結(jié)構(gòu)不利。在上部結(jié)構(gòu)恒載及汽車荷載作用下，樁頂反力變化不大。

表11 自重作用下樁頂反力對(duì)比表

綜上所述，系梁高度主要影響系梁剛度，系梁剛度影響了系梁在承臺(tái)間傳遞的剪力與彎矩，但對(duì)系梁在承臺(tái)間傳遞的軸力影響較小。

隨著啞鈴型承臺(tái)系梁高度減小，自重減小對(duì)樁基的有利影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向風(fēng)作用下對(duì)樁基的不利影響。

4 系梁樁基對(duì)啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)承載特性的影響

在工程實(shí)踐中，啞鈴型承臺(tái)往往在系梁底設(shè)置樁基?，F(xiàn)通過(guò)分析系梁下樁基是否影響承臺(tái)整體的抗彎剛度，進(jìn)而對(duì)啞鈴型承臺(tái)的基礎(chǔ)承載特性產(chǎn)生影響，從而建立MIDAS FEA 有限元模型對(duì)比模型，分析系梁底樁基的作用，其中系梁寬度B=12 m，高度H=11 m，樁基距對(duì)稱中心線8.0 m（見圖2）。圖3、圖4 為系梁下無(wú)樁（或有樁）在自重作用及上部恒載作用下樁頂軸力圖。

圖2 系梁下有樁啞鈴型基礎(chǔ)FEA 有限元模型

由圖3 及圖4 可以看出，在系梁自重及上部結(jié)構(gòu)恒載作用下，系梁下設(shè)置樁基，其樁底最大軸力只減小0.017%。這是由于在自重作用下，系梁下樁基主要承受系梁的自重作用，承臺(tái)內(nèi)側(cè)樁頂反力得以大幅度降低；在上部結(jié)構(gòu)恒載作用下，由于系梁下樁基增加了承臺(tái)間的系梁的剛度，啞鈴型承臺(tái)最外側(cè)樁基承擔(dān)的樁頂反力更大。

圖3 系梁下無(wú)樁在自重作用及上部恒載作用下樁頂軸力圖（單位：kN）

圖4 系梁下有樁在自重作用及上部恒載作用下樁頂軸力圖（單位：kN）

同時(shí)，由圖3、圖4 可看出，在自重及上部結(jié)構(gòu)恒載作用下，系梁下設(shè)置樁基時(shí)，啞鈴型承臺(tái)下樁基反力相差很大，樁頂軸力相差24.8%，樁基承載力利用率不高。

另外通過(guò)研究表明，在橫向風(fēng)荷載及縱向汽車荷載作用下，啞鈴型承臺(tái)最不利樁頂反力的位置也為承臺(tái)最外兩側(cè)，且在橫向風(fēng)荷載及縱向汽車荷載作用下，樁頂反力變化差值很小。

在此工程實(shí)例中，在橋梁結(jié)構(gòu)上下部恒載作用下，系梁底設(shè)置樁基對(duì)整個(gè)承臺(tái)的最大樁頂反力影響有限；同時(shí)，系梁底樁基受力較小，其樁基承載力不能得到充分利用。所以得出結(jié)論，在系梁自身承載力驗(yàn)算得到滿足的情況下，不需要設(shè)置系梁底樁基。

5 結(jié)論

以一座下部結(jié)構(gòu)為啞鈴型承臺(tái)的漂浮體系斜拉橋工程為背景，提取上部結(jié)構(gòu)主要荷載，建立有限元分析模型，主要研究系梁對(duì)啞鈴型承臺(tái)結(jié)構(gòu)特性的影響，得出以下結(jié)論:

啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)的系梁越寬或越高，系梁的剛度越大，在上部結(jié)構(gòu)主要荷載作用下傳遞的軸力變化很小，傳遞的彎矩更大，在橫向風(fēng)作用下能傳遞更大的剪力，對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的樁基反力有利。

啞鈴型承臺(tái)基礎(chǔ)的系梁越寬或越高，系梁自重越大，向承臺(tái)傳遞很大的剪力和彎矩，對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的樁基反力更為不利。系梁自重增大的不利影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剛度增加的有利影響

啞鈴型承臺(tái)系梁底樁基主要承擔(dān)系梁的自重，系梁底樁基對(duì)整個(gè)承臺(tái)的最大樁頂反力影響有限。同時(shí)，系梁底樁基受力較小，其樁基承載力不能得到充分利用。

綜上所述，啞鈴型承臺(tái)的系梁的主要作用應(yīng)為傳遞承臺(tái)間軸力，而非承擔(dān)剪力和彎矩。因此，系梁本身不需要過(guò)大的剛度。系梁的寬度及高度不必過(guò)大，從而簡(jiǎn)化基礎(chǔ)受力途徑，減小系梁自重，提高基礎(chǔ)承載力特性，提高啞鈴型基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性。