钢吊箱封底施工及数值模拟分析的探讨

李贺才 （合肥工业大学，安徽 合肥 230022）

1 工程概况

大桥为双塔双索面半漂浮体系组合梁斜拉桥，主塔墩位于长江深水区，基础为32根3m直径的钻孔灌注桩，桩长42m，按端承桩设计。承台为切除四角的矩形，平面尺寸为47m×25m，厚8m。承台底标高-1.0m，顶标高+7.0m，下设2.6m厚封底混凝土。吊箱内轮廓尺寸为47.03m×25.03m，外轮廓尺寸为50.03m×28.03m，壁体厚度1.5m，壁体总高度20.1m。

2 封底混凝土施工控制措施

2.1 封底混凝土密封构造措施

钢吊箱作为承台施工挡水结构物，其关键功能之一就是封底施工完毕后，抽出吊箱内积水，为承台提供干施环境，保证承台施工期间不发生渗水。本项目主要控制措施如下。

2.1.1 钢吊箱内壁增设止水角钢

为确保封底混凝土与钢吊箱内壁紧密贴合，钢吊箱设计时，在封底混凝土范围内设置两道止水角钢，沿钢吊箱内壁四周与壁体进行满焊。角钢布设方式为一边与内壁焊接，另一边朝上，有利于混凝土浇筑时排出水和气泡。

2.1.2 钢护筒增设剪力筋

封底混凝土范围内，在钢护筒周围等间距设置直径为25mm的螺旋筋，间距10cm，与钢护筒间断焊接，螺旋筋的设置增强了封底混凝土与钢护筒之间的粘结力。

2.2 封底混凝土浇筑

封底混凝土浇筑采用中心集料斗、多导管、从中间向两端逐步推进的封底施工工艺，一次封底成型。

为防止漏浆，保证混凝土浇筑质量，封底混凝土浇筑前，安排潜水员水下检查钢吊箱底板与护筒间的封闭措施，并对钢吊箱底板、内壁及钢护筒外壁进行清理和除锈处理。

3 封底混凝土数值模拟分析

3.1 封底混凝土与钢护筒间粘结滑移分析

钢管与混凝土之间的粘结力由三部分组成，即化学胶结力、机械咬合力、摩擦力。在钢管与混凝土滑动之前，机械咬合力起着很大的作用，发生滑动后，界面剪切力主要取决于摩擦力，当钢管锈蚀严重，表面有深度凹痕时，机械咬合力很大，当相对滑移较大时，机械咬合力发生破坏，界面粘结力将由钢管与混凝土之间的摩擦力和残余的机械咬合力负担[1]。若界面抗剪粘结力应力沿钢管混凝土界面均匀分布，在推出试验中钢管纵向应变沿长度方向基本呈三角形分布，可认为界面抗剪粘结力沿钢-混凝土界面均匀分布是合理的，粘结应力沿钢管在一定范围内呈三角形分布[2]。文献[3]使用有限元分析程序对钢管-混凝土界面的粘结应力分布的分析结果，当界面没有滑移时，粘结应力呈指数分布。粘结应力在加载端设置最大，到约d/2处为0，分析表明，粘结应力的需求集中于一定的局部区域，而且如果界面的滑移被阻止，钢管与混凝土间不平衡力必然在一个较短的长度内重新分配完毕。

以上分析，国内外学者已做大量试验研究粘结强度，但尚无统一标准。而钢护筒与混凝土间的粘结滑移相关试验研究较少，可参考的成果有限。本文参考文献[4]中所采用的试验模型，借鉴文献[5]给出的粘结滑移本构关系，通过调整相关参数，建立有限元数值模型，分析钢护筒与混凝土之间的相互作用。

以往试验研究表明，钢管混凝土荷载-滑移曲线大多出现峰值荷载点及随后的下降段，当粘结应力小于粘结强度时，粘结应力与滑移呈线性关系，当粘结应力大于粘结强度后，滑移大幅度发展，曲线迅速下滑，由于缺少下降段曲线的试验数据，所以在粘结滑移本构模型中以两段折现近似模拟，如图1所示[5]。

图1 粘结应力-滑移本构模型示意图

从文献[4]试验数据可知，第一层位移杆发生明显变化时，荷载为791.3kN，接触面积为0.646m2，第三层位移杆发生明显变化时，荷载为972.14kN，接触面积为1.54m2。文献[1、2]表明，界面没有滑移时，粘结应力的需求集中于一定的局部区域，并在一定范围内呈三角形分布。本文选用大型有限元软件ansys，建立模型进行数值模拟分析。由于文献[4]试验模型为轴对称结构，所以钢护筒与混凝土均采用plane42轴对称平面单元，钢护筒混凝土之间的粘结滑移采用非线性弹簧单元combination39进行模拟。该单元具有很大的功能，通过定义F-D曲线，可以实现复杂的荷载-位移非线性关系。经过合理的建模，并对模型进行加载求解，得到混凝土滑移随加载量变化的关系曲线，如图2所示，极限状态粘结力约为1000kN，水平残余状态粘结力约为320kN，数值模拟与试验结果吻合较好，这表明，钢护筒与混凝土间的粘结滑移力学性能分析采用此计算模型是合理的。

3.2 剪力筋对封底混凝土的作用

由于钢护筒周边钢筋（以下简称剪力筋）嵌固于混凝土中，可认为两者协同变形，ansys软件通过耦合节点来实现。经过计算，随荷载的变化，混凝土滑移量基本呈线性关系，且同样滑移量的情况下，设置剪力筋的荷载要远远大于无剪力筋的荷载。这说明，剪力筋的作用大大提高了钢护筒混凝土界面的抗剪能力，分担了大部分剪切力。但是，当荷载增加到一定程度，此时剪力筋对混凝土的挤压，会造成混凝土的局部损坏。

4 结论

①钢吊箱围堰封底混凝土施工，为取得良好效果，在钢吊箱设计阶段，可以采用钢吊箱内壁增设封闭角钢，以及钢护筒增设剪力筋的形式来实现封闭止水和增强连接强度的作用。

图2 钢护筒混凝土荷载-滑移变化曲线

②通过非线性弹簧单元combination39进行模拟钢护筒混凝土界面粘结滑移性能较合理，在取得试验数据的基础上，可以调整相关参数，达到数值分析的目的。

③封底混凝土范围内增设剪力筋能够大大提高粘结强度，剪力筋布置间距及根数需要进行合理设计，尽量控制混凝土与钢护筒产生分离。