整體橋RC樁-土相互作用參數(shù)分析

羅世斌　謝軍

摘要：整體式橋臺無縫橋（簡稱整體橋）由于取消了伸縮縫，從而大大減少了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，同時具有較好的抗震性能。但是，整體橋上部結(jié)構(gòu)的變形需由下部結(jié)構(gòu)吸收，樁-土相互作用問題較為突出。文章以某座整體橋為研究背景，采用OpenSees有限元軟件建立分析模型，對比分析了不同樁基參數(shù)對樁-土相互作用的影響，為整體橋的設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;整體橋;有限元;樁基類型

中國分類號：U443.15文章標(biāo)識碼：A130474

0 引言

整體式橋臺無縫橋（簡稱整體橋）取消了伸縮縫，從而使得行車平穩(wěn)舒適，還大幅降低了后期的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，同時具有較好的抗震性能[1]。因此，整體橋在國外得到廣泛的應(yīng)用，我國也在積極推廣。不過，整體橋上部結(jié)構(gòu)在外界因素（溫度或地震）作用下的往復(fù)變形需由下部結(jié)構(gòu)的變形來吸收，樁-土相互作用問題較為突出。因此，整體橋下部樁基必須采用變形能力較好的柔性樁基礎(chǔ)[2]。目前，我國整體橋建設(shè)多采用混凝土樁（RC樁），不過如何合理設(shè)計RC樁，使其能夠更好地適應(yīng)整體橋的受力還尚不明確。

為了揭示整體橋RC樁-土相互作用機(jī)理，探討RC樁的合理設(shè)計方式，本文以某整體橋為研究對象，采用OpenSees有限元軟件建立分析模型，分析了RC樁在往復(fù)位移荷載作用下的受力性能，并開展了不同樁徑、配筋率和樁長的參數(shù)分析，研究成果可為整體橋的設(shè)計建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某整體橋為雙幅三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁整體橋[3]，左、右幅橋梁寬度為17 m，跨徑為30 m，如下頁圖1所示。該整體橋采用整體式橋臺，橋臺下部布置單排4根鉆孔灌注RC樁，采用C30混凝土澆筑。樁徑為150 cm，RC樁截面配置30根[WTBX]28 mm縱筋，等級為HRB400，配筋率為1.05%，箍筋等級為HPB300。C30混凝土和鋼筋的物理參數(shù)分別見下頁表1和表2。

2 OpenSees簡化模型建立及加載

2.1 模型建立

本文以該整體橋的橋臺下方一根RC樁為研究對象，為了對整體橋樁-土相互作用進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，采用OpenSees有限元軟件建立溫克爾非線性地基梁簡化模型，有限元模型如圖2所示。由圖2可知，整體橋樁-土相互作用模型的建立主要分為兩個部分，分別為RC樁和土體的建立。

其中，RC樁采用OpenSees中的dispBeamColumn單元模擬[4]，并采用纖維截面。纖維截面主要包括混凝土纖維和鋼筋纖維，分別賦予Concrete02混凝土材料本構(gòu)和Steel02鋼筋材料本構(gòu)[5]，截面劃分如圖3所示。混凝土纖維和鋼筋纖維的主要材料參數(shù)與表1和表2中的一致。依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）[6]計算得到RC樁的柔性系數(shù)[WTBX]α為2.487，為此，當(dāng)埋置深度>9.948 m時，可忽略9.948 m以下樁基的作用。為便于建模，本文取樁基的埋置深度為10 m，并將樁底固結(jié)。考慮計算效率和精度，樁身劃分為20個單元。

本文將樁周土簡化為一系列土彈簧，模擬方式為采用OpenSees中的ZeroLength單元并賦予土體材料本構(gòu)。其中，土體本構(gòu)采用美國API規(guī)范建議的砂土p-y曲線[7]。土彈簧的一端與RC樁身節(jié)點(diǎn)耦合自由度，另一端固結(jié)。

2.2 模型加載

整體橋在溫度作用下的最大伸長量為16 mm，為此，本文按每級2 mm，逐級加載至16 mm。

3 不同參數(shù)對RC樁受力性能的影響

3.1 配筋率的影響

相比于傳統(tǒng)有縫橋，整體橋樁基需要吸納更大的上部結(jié)構(gòu)變形，合理配筋對其發(fā)揮變形能力至關(guān)重要。為此，本文分析了配筋率為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%時RC樁的受力和變形情況。圖4和圖5分別給出了加載位移為16 mm時，不同配筋率下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計算結(jié)果。

由圖4可知，當(dāng)配筋率為0.5%和1.0%時，RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律為沿埋深逐漸減小至0并反向增大，當(dāng)達(dá)到反向最大后，又逐漸減小至0，樁身存在兩個變形零點(diǎn)，符合柔性樁的變形特征。并且，配筋率為1.0%時，樁-土相互作用范圍較0.5%的更大。如配筋率為0.5%時，樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-6 m和-10 m;配筋率為1.0%時，樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-7.5 m和-10 m。這表明，適當(dāng)增大配筋率有利于增強(qiáng)樁-土相互作用，從而改善混凝土柔性樁的變形性能。

當(dāng)配筋率增大至1.5%和2.0%時，RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律變?yōu)檠芈裆钪饾u減小至0，樁身僅存在一個變形零點(diǎn)，如配筋率為1.5%和2%時，樁身變形零點(diǎn)埋深均為-10 m。這表明配筋率過高會使得RC樁變?yōu)榘肴嵝詷痘騽傂詷?，因此，適當(dāng)增大整體橋RC樁的配筋率有利于改善變形能力，但是不宜過高。

由圖5可知，樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律為沿埋深先增大后減小，樁身彎矩隨著配筋率的提高而增大。并且，隨著配筋率的提高，樁身最大彎矩對應(yīng)埋深也增大。如配筋率為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%時，分別在埋深為3.5 m、4.0 m、4.0 m和4.0 m時達(dá)到樁身最大彎矩，其值分別為621.2 kN·m、886.4 kN·m、1 042.7 kN·m和1 189.3 kN·m。這表明增大樁身配筋率可改善RC樁的受力性能，在相同樁頂變形下具有更好的水平承載能力，更好地滿足了整體橋?qū)痘囊蟆?/p>

3.2 樁徑的影響

本文分析了樁徑為120 cm、150 cm和180 cm時RC樁的受力和變形情況。圖6和圖7分別給出了加載位移為16 mm時，不同樁徑下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計算結(jié)果。

由圖6可知，當(dāng)樁徑為120 cm和150 cm時，RC樁在水平位移荷載作用下的水平變形規(guī)律基本一致，樁身存在兩個變形零點(diǎn)，這也符合柔性樁的變形特征。并且，樁徑為150 cm時，樁-土相互作用范圍較樁徑為120 cm時的更大。如樁徑為120 cm時，樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-6 m和-10 m;樁徑為150 cm時，樁身變形零點(diǎn)埋深分別為-7.3 m和-10 m。這表明，適當(dāng)增大樁徑有利于改善混凝土柔性樁的變形性能。

當(dāng)配筋率增大至180 cm時，樁身僅存在一個變形零點(diǎn)，其埋深為-10 m。這表明樁徑過大會使得RC樁變?yōu)榘肴嵝詷痘騽傂詷?，變形能力減弱。因此，整體橋RC樁的直徑不宜過大。

由圖7可知，不同樁徑下的樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律基本一致。樁身最大彎矩隨著樁徑的增大而增大，如樁徑為120 cm、150 cm和180 cm時的樁身最大彎矩分別為600 kN·m、886.4 kN·m和1 192.3 kN·m。這表明增大樁徑有利于提高樁身的水平承載能力。

3.3 樁長的影響

本文分析了樁長為9 m、10 m和11 m時RC樁的受力和變形情況。圖8和圖9分別給出了加載位移為16 mm時，不同樁徑下RC樁的樁身變形和彎矩的有限元計算結(jié)果。

由圖8可知，樁長為10 m和11 m時的樁身變形沿埋深的分布規(guī)律基本一致，存在兩個樁身變形零點(diǎn)。并且，樁長為10 m時，樁-土相互作用范圍較樁長為11 m時的更大。如當(dāng)樁長為10 m時，樁身零點(diǎn)的埋深為-8 m和-10 m;樁長為11 m時，樁身零點(diǎn)的埋深為-6.5 m和-11 m。這表明，增大樁長可增大RC樁的柔性，但會減小樁-土相互作用范圍。

由圖8還可知，樁長為9 m時，樁身僅存在1個變形零點(diǎn)，其埋深為-9 m。這表明，樁長過小，其工作形狀會退化為半剛性樁或剛性樁，減小其變形能力。因此，整體橋樁基礎(chǔ)的埋深不宜過小。

由圖9可知，不同樁長下的樁身彎矩沿埋深的分布規(guī)律基本一致。由圖9還可知，不同樁長下的樁身彎矩最大值基本一致，這表明樁長對樁身彎矩基本沒有影響。

4 結(jié)語

樁-土相互作用是整體橋設(shè)計、建設(shè)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何對RC樁進(jìn)行合理設(shè)計，使其滿足整體橋的要求，也是整體橋發(fā)展的關(guān)鍵。通過上述有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）適當(dāng)增大RC樁的配筋率有利于改善其水平變形能力，增強(qiáng)樁-土相互作用。不過，配筋率過高會使得RC樁退化為半剛性樁或剛性樁，不利于RC樁的變形。增大RC樁配筋率還可增強(qiáng)其水平承載能力。

（2）適當(dāng)增大RC樁的樁徑可改善其水平變形能力，但不宜過高。增大RC樁的樁徑還可增大其水平承載能力。

（3）整體橋樁基需保證一定的長度，樁長不足會使其退化為半剛性樁或剛性樁，不利于其水平變形。樁長對樁身彎矩基本沒有影響。

參考文獻(xiàn)：

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[7]API RP 2A-WSD-2014.Planning，Designing，and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design[S].

作者簡介：羅世斌（1967—），高級工程師，主要從事高速公路運(yùn)營管理以及課題研究工作。

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