李 杰,李 娜
(郑州大学土木工程学院 郑州市 450001)
摘 要:某国道主干线的高速公路上一座大桥在施工墩帽时发现孔桩中心线往线路外侧偏移,于是对墩帽以下60c m范围内进行处理,即弯折桩基中主筋以处理孔桩中心线偏移,造成桩基中出现错台。本文运用组合有限元方法,详细分析静活载作用下错台桩基的变位和应力,并对提出的3种加固错台桩基方案进行分析研究,从而为下步工作提供可靠依据。
关键词:高速公路;桥梁桩基;加固
山区高速公路桥梁的基础类型多采用桩基形式,桩基施工质量将直接关系到桥梁结构以及日后运营的安全。某国道主干线的位于山区的一座大桥,采用跨径组合为7×50m+17×30m的预应力混凝土预制T梁,单向2车道,标准宽度为1115m,为先简支后连续结构。下部构造采用矩形双柱式桥墩和薄壁空心墩,桥台采用重力式桥台,基础为扩大基础和桩基础。大桥的20-1孔桩灌注完毕后,在施工墩帽时发现,孔桩中心线往线路外侧偏移,于是对墩帽以下60c m范围内进行处理,即弯折桩基主筋以处理孔桩中心线的偏移,但却导致桩基中出现错台。通过桩基检测发现,在墩帽以下60c m处的桩基主筋弯折,桩基沿桥纵向偏心9c m,横向往线路外侧偏心15c m,见图1所示。该桩基错台对桥梁结构,特别是对日后运营的安全性会产生怎样的影响,值得各方关注。如果由于桩基错台,桥梁结构的变形、应力不能满足规范要求,而且严重影响结构的使用,
那么就需要采取妥当的加固措施。本文采用组合有限元方法,详细分析桩基错台后结构产生的变形应力,提出相关的加固方案,并对这些方案进行分析,以便为下步加固施工提供可靠依据。
1 有限元模型和荷载工况
本文的分析采用组合有限元法,该方法作为全桥结构仿真分析的技术核心,摈弃了多年来桥梁计算所采用的人为假设(如假设计算体系或计算平面的划分与组合、假设构件符合平截面变形、假设连接
图1 桩基错位示意
形式为铰接或刚接、假设计算模型的边界条件等)。所建模型准确模拟构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用,在此基础上进行结构效应计算与分析,由此得到相对详尽、精确、可靠的分析结果。采用大型通用有限元软件AL GO R建立空间分析模型,如图2所示,其中盖梁、桥墩、桩帽、系梁、桩基和地基土层采用实体单元,墩、桩帽和桩基中的主筋、箍筋采用空间杆单元,共计125300个单元。
按照设计文件,大桥设计荷载为汽车-超20级,挂车-120,上部结构为5片30m预应力混凝土预制T梁;根据规范要求,当桥面行车道宽度大于9m且小于等于12m时,按三行车队布载,汽车荷载可折减20%,故所分析工况为:
(1)恒载;
收稿日期:2007-10-22
公路 2008年4月 第4期 H IGHW A Y A p r12008 N o14 图2 有限元分析模型
(2)恒载+混凝土收缩徐变;
(3)恒载+一车道活载(活载偏离错台桩基对应车道);
(4)恒载+一车道活载(活载靠近错台桩基对应车道);
(5)恒载+二车道活载(活载偏离错台桩基对应车道); (6)恒载+二车道活载(活载靠近错台桩基对应车道);
(7)恒载+三车道活载;
(8)恒载+混凝土收缩徐变+二车道活载(活载偏离错台桩基对应车道);
(9)恒载+混凝土收缩徐变+二车道活载(活载靠近错台桩基对应车道);
(10)恒载+混凝土收缩徐变+三车道活载。
其中结构恒载(包括盖梁上所承担T梁重量)、汽车-超20级(按跨径纵桥向布置一辆重车和两辆主车),T梁重量按照实际重量均分至每个支承垫石,汽车-超20级活载以集中力方式施加于各个支承垫石上。
2 错台桩基分析
错台桩基分析结果见表1。
表1 错台桩基分析结果
计算工况盖梁最值位移 mm桩基混凝土
竖向横向
主应力 M Pa正应力 M Pa
最小最大最小最大
桩基钢筋
最小最大
1恒载-01970123-41672109-41171183-171476162 2恒载+收缩徐变-11750144-5126215-51142121-2814111 3恒载+一车道活载
(活载偏离错台桩基对应车道)
-1110-0127-41562105-41051179-191266146 4恒载+一车道活载
(活载靠近错台桩基对应车道)
-11310165-6147219-5182153-24139119 5恒载+二车道活载
(活载偏离错台桩基对应车道)
-1150-0142-51232134-41682104-241567142 6恒载+二车道活载
(活载靠近错台桩基对应车道)
-11550169-71783148-71033104-2913211106 7恒载+三车道活载-11500133-6183105-6112166-251549165 8恒载+收缩徐变+二车道活载
(活载偏离错台桩基对应车道)
-2128-0174-5179215-51652121-341551182 9恒载+收缩徐变+二车道活载
(活载靠近错台桩基对应车道)
-21331113-81193101-71992155-401263171 10恒载+收缩徐变+三车道活载-21280151-71242159-71062125-361482165 注:竖向位移沿重力方向为负,偏离线路外侧横向位移为正,压应力为负,拉应力为正,下同。
根据表1的计算结果,由于桩基错台偏心作用,桩基在恒载、活载和混凝土收缩徐变等因素组合作用下,产生了不利于运营的结果,特别是对于计算工况4、6、7和9,错台桩基局部出现211～315M Pa的拉应力(具体见图3所示,桩基为C25混凝土),应当进行必要的加固。3 加固方案及其分析
根据以上错台桩基分析结果,可以看出,由于错台部位桩基截面发生突变,从而引起桩基中应力和变形向偏于不安全变化。按照安全、可行、经济和节约工期的原则,提出以下3套加固方案。
(1)1():
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1
7
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2008年 第4期 李 杰 李 娜:某高速公路桥梁桩基的加固方案研究
图3 工况6:错台桩基最小、最大主应力和正应力
以上(高60c m ),沿错位的桩位外浇注混凝土(平面上形成上弦月形状(或圆括号“)”形状)),错台和外浇注混凝土外,包裹20mm 厚的钢板带。
(2)方案2(简称方括号方案):承台以下至错台以上(高60c m ),在方案1的基础上,外伸至承台边缘浇注混凝土(平面形成方括号“”形状),错台和外浇注混凝土外,包裹20mm 厚的钢板带。
(3)方案3(简称向下延伸承台方案):将错台桩
基侧一半宽度的承台底面向下延伸115m 的钢筋混
凝土(其配筋与原来承台的配筋相同),将错台桩基整体外包。
鉴于桩基分析结果,第6工况最不利,故以下加固计算仅给出工况6对应的结果,详见表2。
表2 桩基加固方案分析汇总
加固方案
盖梁最值位移 mm
桩基混凝土
竖向
横向
主应力 M Pa 正应力 M Pa 最小
最大
最小
最大
桩基钢筋 M Pa 最小
最大
加固方案1(圆括号方案)-11530180-5161171-41291142-241135136加固方案2(方括号方案)-11520179-61741171-41411140-241765155加固方案3(向下延伸承台方案)
-1149
0166
-5116
1144
-4107
1132
-24155
5128
—
27— 公 路 2008年 第4期
从表2可以看出,3种加固方案都可以有效地改善桩基中的应力水平,特别是加固方案3,在最不利
荷载组合工况下,最大应力由3148M Pa 降至1144M Pa ,效果是非常好的,见图4所示
。
图4 加固方案3桩基最小、最大主应力和正应力
4 小结
随着高速公路工程建造,桥梁结构中采用桩基
础非常普遍,由于设计、施工以及地质条件变化等原因导致类似的桥梁桩基加固的问题越来越多。本文应用组合有限元方法对某高速公路桥梁的桩基错台问题进行了分析,并对加固方案进行了具体的计算,为下步加固施工提供了可靠的依据。
参考文献:
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[2] 郑凯锋,陈亚新,王勇1全桥结构仿真技术在拱箱吊装
分析中的应用研究[J ]1铁道工程学报,1998,(4)1
[3] 万鹏,郑凯锋1组合有限元法在T 形梁桥荷载横向分
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[4] JT G D 60-2004,公路桥涵设计通用规范[S ]1
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