UHPC 管桩-钢立柱灌浆连接段结构设计与轴压受力机理研究

2021-02-27郑和晖林树奎肖林

中国港湾建设 2021年2期

郑和晖，林树奎，肖林，4

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430014；2.交通运输行业交通基础设施智能建造技术研发中心，湖北武汉 430014；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430014；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北武汉 430014）

0 引言

灌浆连接段的可靠性是保障海上平台安全运行的必要条件，国内外学者对灌浆连接段的受力机理开展了理论分析、试验研究和有限元分析，为实际工程的设计提供了依据和参考[1-8]。挪威船级社规范DNV-OS-J101[9-10]融合了长期积累的研究成果和经验，对单桩与导管架的灌浆连接段的设计与计算方法进行了详细的描述。

由于预应力管桩与钢管桩在结构形式上差异较大，现有的灌浆连接技术无法适用于UHPC 管桩与钢立柱的连接，且目前关于预应力混凝土管桩与钢立柱连接的研究和报道较少。本文首先参考DNV 规范开展了适用于UHPC 管桩与钢立柱灌浆连接方案的设计，利用ABAQUS 对所提出的灌浆连接方案进行了数值模拟，验证了所提出的连接构造的合理性；然后基于轴对称平面模型对灌浆连接段在轴压荷载下的荷载-位移曲线和破坏模式进行了研究，最后开展了轴压承载力的参数敏感性分析，探明了灌浆连接段的各构造参数对轴向承载力的影响规律以及主要影响参数。

1 灌浆连接段设计及受力分析

1.1 灌浆连接段设计方案

参考海上风电基础灌浆连接段的设计方法，提出两类有剪力键灌浆连接段结构形式，分别为转接环方案与混合剪力键方案。转接环方案即在UHPC 管桩顶部增加转接环构造，转接环再与钢立柱形成灌浆封闭空间，转接环外侧及钢立柱内侧焊接有扁钢剪力键。混合剪力键方案是在转接环方案的基础上，从传力途径上进行了简化，在UHPC 管桩顶部外侧预制出环向UHPC 键齿，灌浆料填充于UHPC 键齿与钢键齿之间。相比转接环方案，混合剪力键方案传力路径更加简明，仅需对管桩预制模板稍作改造即可制作含键齿的管桩，且灌浆连接段施工便捷，材料及加工成本较省，但关于混合剪力键结构的设计无现有技术可利用，无相关应用案例报道，技术成熟度较低。

1.2 基于DNV 规范的灌浆连接段设计

基于1 200 mm 外径预应力UHPC 管桩开展灌浆连接段的设计及分析研究，具体规格如表1 所示。取计算弯矩900 kN·m，计算轴力2 150 kN。灌浆连接段厚度取70 mm，钢立柱壁厚取26 mm。

表1 UHPC 管桩规格Table 1 The specification of UHPC pipe pile

经过试算，拟定的两方案灌浆连接段构造尺寸如图1 所示，其中钢键齿高度均为12 mm，宽度均为28 mm。全部构造参数的取值均满足DNV规范中提出的限定性要求；灌浆料抗剪应力计算值6.2 MPa，小于允许抗剪强度值7.3 MPa，灌浆料抗剪强度验算满足设计要求；单个剪力键环向单位长度所受荷载114.1 N/mm，小于剪力键承载力设计值649.7 N/mm，剪力键的抗剪强度验算满足设计要求；弯矩引起灌浆料径向最大接触压应力为0.789 MPa，小于接触压应力允许值1.5 MPa，接触压应力验算满足设计要求；剪力键应力水平为0.132，应力循环次数为261 万次，可满足200万次的疲劳寿命要求。

图1 灌浆连接段构造尺寸（mm）Fig.1 Structure size of the grouting connection section(mm)

1.3 基于ABAQUS 的灌浆连接段受力性能分析

1.3.1 有限元模型

有限元模型中灌浆连接段的几何尺寸与图1中的保持一致，灌浆连接段以外钢立柱的高度均取600 mm，UHPC 管桩的高度均取800 mm。考虑到模型尺寸及加载的对称性，采用1/2 模型进行分析。管桩、钢立柱、灌浆料均采用C3D8R 单元模拟。

钢立柱及预应力筋的应力-应变曲线均采用双折线模型，并采用等向强化法则和Mises 屈服准则模拟钢材的塑性行为[6-7]。预应力筋采用等效降温法模拟管桩的有效预应力。

灌浆料和管桩均采用U120 等级，利用混凝土塑性损伤模型模拟UHPC 材料的力学行为，塑性损伤模型参数如表2 所示。U120 的轴心受拉本构关系考虑了应变硬化的特性，其拉压本构关系如图2 所示。

表2 塑性损伤模型参数Table 2 Parameters of plastic damage model

图2 U120 本构关系曲线Fig.2 Constitutive relation curve of U120

灌浆料与钢管之间以及灌浆料与UHPC 管桩之间的相互作用采用接触关系进行模拟。其中法线方向的接触采用硬接触，模拟两者之间的相互挤压，切线方向的接触性质采用无黏结的库伦摩擦模型定义[8]。

1.3.2 计算结果及分析

数值分析中，重点研究加载点竖向δV及水平位移δH，以及钢立柱最大Mises 应力σM、灌浆料最大 Tresca 应力 σT、UHPC 管桩主拉应力 σmax和主压应力σmin。有限元分析模型的计算结果如表3所示。

表3 有限元分析结果Table 3 Results of finite element analysis

对于钢立柱，最大Mises 应力出现在最上方钢键齿上方，约有135.1 MPa，低于钢材屈服应力。灌浆料最大Tresa 应力出现在内侧最下方键齿处，约有85.8 MPa，低于其抗压强度值。UHPC管桩最大主拉应力发生在管桩顶部预应力筋锚固处，最大主拉应力6.8 MPa，由于模型里预应力筋锚固处未考虑垫板的应力扩散导致计算结果出现应力集中，仅查看灌浆连接段区域管桩应力。UHPC 管桩在灌浆连接段最大主拉及主压应力均发生在最下方键齿附近，最大主拉应力为4.2 MPa，最大主压应力为90.6 MPa，均低于相应的强度值。最上方的钢键齿及最下方的混凝土键齿区域产生了应力集中，需关注其疲劳性能。

2 灌浆连接段轴压受力机理研究

2.1 轴压承载力计算及破坏模式

2.1.1 有限元模型

为分析混合剪力键方案灌浆连接段在轴压荷载作用下的受力机理，采用ABAQUS 开展灌浆连接段的数值研究，探究其轴压荷载下的荷载-位移曲线和破坏模式。由于灌浆连接段结构及轴压荷载均具有轴对称的特点，可采用轴对称平面单元CAX4R 模拟。模型中界面接触关系的模拟方法及灌浆连接段的尺寸、材料参数同前。

2.1.2 计算结果分析

提取参考点的反力及位移，绘制荷载-位移曲线，如图3 所示。

图3 轴压全过程荷载-位移曲线Fig.3 Load vs.displacement curve in the whole process of axial compression

其轴压全过程荷载-位移曲线近似可划分为4个阶段：

1）准弹性阶段（AB 段）

当轴压变形较小时，灌浆料基本处于弹性阶段。B 点对应的状态为灌浆料最下方UHPC 键齿根部主拉应变处于屈服平台，局部进入应变软化区；最上方钢键齿角点处局部灌浆料主拉应变超过比例极限。

2） UHPC 键齿剪切变形及局部破坏阶段（BCD 段）

随着轴压变形的继续增大，最下方UHPC 键齿主拉应变超过极限拉应变，剪切变形持续增大，灌浆连接段刚度逐渐下降，C 点对应的状态为灌浆料中最下方UHPC 键齿被剪断，发生局部破坏，荷载-位移曲线出现局部凹陷。

3） UHPC 管桩剪切变形阶段（DE 段）

随着轴压变形的继续增大，灌浆料塑性范围逐渐变大，下方4 个UHPC 键齿出现了较大的竖向剪切应变，上方2 个UHPC 键齿出现了较大的斜向剪切应变。

4）破坏阶段（EFG 段）

E 点过后，灌浆连接段根部斜截面上UHPC的剪切变形逐渐增大，最终管桩发生压剪破坏。

2.2 轴压承载力参数研究

2.2.1 构造参数及取值范围

灌浆连接段轴压承载力参数敏感性分析选定的参数包括：UHPC 管桩外径Dp、UHPC 管桩壁厚tp、灌浆连接段厚度tg、钢键齿间距sjlj、钢键齿高度hjlj、钢键齿宽度wjlj、灌浆连接段高度Lg。其中，钢管桩外径Ds不作为直接影响因素，由于UHPC 键齿的高度受UHPC 管桩保护层厚度以及内部预应力筋和螺旋筋位置的影响可调整的范围有限，故不作为参数分析的范围。

参数分析模型计算图示如图4 所示，参数取值范围如表4 所示，其中各参数的中间取值为基准模型的参数取值。为保证各参数分析模型的破坏模式均为灌浆料的破坏，模型中不考虑钢立柱及UHPC 管桩材料的塑性发展。