整体桥RC桩-土相互作用参数分析

罗世斌　谢军

摘要：整体式桥台无缝桥（简称整体桥）由于取消了伸缩缝，从而大大减少了养护维修费用，同时具有较好的抗震性能。但是，整体桥上部结构的变形需由下部结构吸收，桩-土相互作用问题较为突出。文章以某座整体桥为研究背景，采用OpenSees有限元软件建立分析模型，对比分析了不同桩基参数对桩-土相互作用的影响，为整体桥的设计提供理论参考。

关键词：桥梁工程;整体桥;有限元;桩基类型

中国分类号：U443.15文章标识码：A130474

0 引言

整体式桥台无缝桥（简称整体桥）取消了伸缩缝，从而使得行车平稳舒适，还大幅降低了后期的养护维修费用，同时具有较好的抗震性能[1]。因此，整体桥在国外得到广泛的应用，我国也在积极推广。不过，整体桥上部结构在外界因素（温度或地震）作用下的往复变形需由下部结构的变形来吸收，桩-土相互作用问题较为突出。因此，整体桥下部桩基必须采用变形能力较好的柔性桩基础[2]。目前，我国整体桥建设多采用混凝土桩（RC桩），不过如何合理设计RC桩，使其能够更好地适应整体桥的受力还尚不明确。

为了揭示整体桥RC桩-土相互作用机理，探讨RC桩的合理设计方式，本文以某整体桥为研究对象，采用OpenSees有限元软件建立分析模型，分析了RC桩在往复位移荷载作用下的受力性能，并开展了不同桩径、配筋率和桩长的参数分析，研究成果可为整体桥的设计建设提供参考。

1 工程概况

某整体桥为双幅三跨预应力连续箱梁整体桥[3]，左、右幅桥梁宽度为17 m，跨径为30 m，如下页图1所示。该整体桥采用整体式桥台，桥台下部布置单排4根钻孔灌注RC桩，采用C30混凝土浇筑。桩径为150 cm，RC桩截面配置30根[WTBX]28 mm纵筋，等级为HRB400，配筋率为1.05%，箍筋等级为HPB300。C30混凝土和钢筋的物理参数分别见下页表1和表2。

2 OpenSees简化模型建立及加载

2.1 模型建立

本文以该整体桥的桥台下方一根RC樁为研究对象，为了对整体桥桩-土相互作用进行准确的模拟，采用OpenSees有限元软件建立温克尔非线性地基梁简化模型，有限元模型如图2所示。由图2可知，整体桥桩-土相互作用模型的建立主要分为两个部分，分别为RC桩和土体的建立。

其中，RC桩采用OpenSees中的dispBeamColumn单元模拟[4]，并采用纤维截面。纤维截面主要包括混凝土纤维和钢筋纤维，分别赋予Concrete02混凝土材料本构和Steel02钢筋材料本构[5]，截面划分如图3所示。混凝土纤维和钢筋纤维的主要材料参数与表1和表2中的一致。依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）[6]计算得到RC桩的柔性系数[WTBX]α为2.487，为此，当埋置深度>9.948 m时，可忽略9.948 m以下桩基的作用。为便于建模，本文取桩基的埋置深度为10 m，并将桩底固结。考虑计算效率和精度，桩身划分为20个单元。

本文将桩周土简化为一系列土弹簧，模拟方式为采用OpenSees中的ZeroLength单元并赋予土体材料本构。其中，土体本构采用美国API规范建议的砂土p-y曲线[7]。土弹簧的一端与RC桩身节点耦合自由度，另一端固结。

2.2 模型加载

整体桥在温度作用下的最大伸长量为16 mm，为此，本文按每级2 mm，逐级加载至16 mm。

3 不同参数对RC桩受力性能的影响

3.1 配筋率的影响

相比于传统有缝桥，整体桥桩基需要吸纳更大的上部结构变形，合理配筋对其发挥变形能力至关重要。为此，本文分析了配筋率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%时RC桩的受力和变形情况。图4和图5分别给出了加载位移为16 mm时，不同配筋率下RC桩的桩身变形和弯矩的有限元计算结果。

由图4可知，当配筋率为0.5%和1.0%时，RC桩在水平位移荷载作用下的水平变形规律为沿埋深逐渐减小至0并反向增大，当达到反向最大后，又逐渐减小至0，桩身存在两个变形零点，符合柔性桩的变形特征。并且，配筋率为1.0%时，桩-土相互作用范围较0.5%的更大。如配筋率为0.5%时，桩身变形零点埋深分别为-6 m和-10 m;配筋率为1.0%时，桩身变形零点埋深分别为-7.5 m和-10 m。这表明，适当增大配筋率有利于增强桩-土相互作用，从而改善混凝土柔性桩的变形性能。

当配筋率增大至1.5%和2.0%时，RC桩在水平位移荷载作用下的水平变形规律变为沿埋深逐渐减小至0，桩身仅存在一个变形零点，如配筋率为1.5%和2%时，桩身变形零点埋深均为-10 m。这表明配筋率过高会使得RC桩变为半柔性桩或刚性桩，因此，适当增大整体桥RC桩的配筋率有利于改善变形能力，但是不宜过高。

由图5可知，桩身弯矩沿埋深的分布规律为沿埋深先增大后减小，桩身弯矩随着配筋率的提高而增大。并且，随着配筋率的提高，桩身最大弯矩对应埋深也增大。如配筋率为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%时，分别在埋深为3.5 m、4.0 m、4.0 m和4.0 m时达到桩身最大弯矩，其值分别为621.2 kN·m、886.4 kN·m、1 042.7 kN·m和1 189.3 kN·m。这表明增大桩身配筋率可改善RC桩的受力性能，在相同桩顶变形下具有更好的水平承载能力，更好地满足了整体桥对桩基的要求。

3.2 桩径的影响

本文分析了桩径为120 cm、150 cm和180 cm时RC桩的受力和变形情况。图6和图7分别给出了加载位移为16 mm时，不同桩径下RC桩的桩身变形和弯矩的有限元计算结果。

由图6可知，当桩径为120 cm和150 cm时，RC桩在水平位移荷载作用下的水平变形规律基本一致，桩身存在两个变形零点，这也符合柔性桩的变形特征。并且，桩径为150 cm时，桩-土相互作用范围较桩径为120 cm时的更大。如桩径为120 cm时，桩身变形零点埋深分别为-6 m和-10 m;桩径为150 cm时，桩身变形零点埋深分别为-7.3 m和-10 m。这表明，适当增大桩径有利于改善混凝土柔性桩的变形性能。

当配筋率增大至180 cm时，桩身仅存在一个变形零点，其埋深为-10 m。这表明桩径过大会使得RC桩变为半柔性桩或刚性桩，变形能力减弱。因此，整体桥RC桩的直径不宜过大。

由图7可知，不同桩径下的桩身弯矩沿埋深的分布规律基本一致。桩身最大弯矩随着桩径的增大而增大，如桩径为120 cm、150 cm和180 cm时的桩身最大弯矩分别为600 kN·m、886.4 kN·m和1 192.3 kN·m。这表明增大桩径有利于提高桩身的水平承载能力。

3.3 桩长的影响

本文分析了桩长为9 m、10 m和11 m时RC桩的受力和变形情况。图8和图9分别给出了加载位移为16 mm时，不同桩径下RC桩的桩身变形和弯矩的有限元计算结果。

由图8可知，桩长为10 m和11 m时的桩身变形沿埋深的分布规律基本一致，存在两个桩身变形零点。并且，桩长为10 m时，桩-土相互作用范围较桩长为11 m时的更大。如当桩长为10 m时，桩身零点的埋深为-8 m和-10 m;桩长为11 m时，桩身零点的埋深为-6.5 m和-11 m。这表明，增大桩长可增大RC桩的柔性，但会减小桩-土相互作用范围。

由图8还可知，桩长为9 m时，桩身仅存在1个变形零点，其埋深为-9 m。这表明，桩长过小，其工作形状会退化为半刚性桩或刚性桩，减小其变形能力。因此，整体桥桩基础的埋深不宜过小。

由图9可知，不同桩长下的桩身弯矩沿埋深的分布规律基本一致。由图9还可知，不同桩长下的桩身弯矩最大值基本一致，这表明桩长对桩身弯矩基本没有影响。

4 结语

桩-土相互作用是整体桥设计、建设过程中的重点和难点，如何对RC桩进行合理设计，使其满足整体桥的要求，也是整体桥发展的关键。通过上述有限元分析，可以得到以下结论：

（1）适当增大RC桩的配筋率有利于改善其水平变形能力，增强桩-土相互作用。不过，配筋率过高会使得RC桩退化为半刚性桩或刚性桩，不利于RC桩的变形。增大RC桩配筋率还可增强其水平承载能力。

（2）适当增大RC桩的桩径可改善其水平变形能力，但不宜过高。增大RC桩的桩径还可增大其水平承载能力。

（3）整体桥桩基需保证一定的长度，桩长不足会使其退化为半刚性桩或刚性桩，不利于其水平变形。桩长对桩身弯矩基本没有影响。

参考文献：

[1]陈宝春，庄一舟，黄福云，等.无伸缩缝桥梁（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]陈宝春，付 毳，庄一舟，等.中国无伸缩缝桥梁应用现状与发展对策[J].中外公路，2018，38（1）：87-95.

[3]陈 洪，薛俊青，Briseghella B，等.某整体式桥台桥梁的设计与施工[C].工程力学.第26届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）.2017.

[4]黄宗明，陈 滔.基于有限单元柔度法和刚度法的非线性梁柱单元比较研究[J].工程力学，2003，20（5）：24-31.

[5]赵金钢，杜 斌，占玉林，等.OpenSees中混凝土本构模型用于模拟结构滞回性能的对比[J].桂林理工大学学报，2017，37（1）：59-67.

[6]JTG 3363-2019，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

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

作者简介：罗世斌（1967—），高級工程师，主要从事高速公路运营管理以及课题研究工作。

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