一种城市立交异型桥墩下部结构分析

2021-08-04蒋华

广东土木与建筑 2021年7期

蒋华

（深圳市市政设计研究院有限公司深圳518029）

1 工程概述

随着国内城市基础建设中城市快速路和地铁的迅速发展，受到城市规划、用地限制和环保技术要求，常常出现采用城市桥梁和地铁区间结构共线布置的情况。在立交桥梁范围，桥跨布置也必须避让地铁区间结构和地下管线，会出现一些特殊形式和构造的桥墩下部结构［1-5］。某市快速路网中重要的节点立交E匝道桥临近地铁1 号线右线区间结构，经多次桥跨布置设计方案比选，其中E15#桥墩基础无法跨越临近的地铁区间结构。在保证地铁区间结构安全的条件下，设计中提出一种异形桥墩下部结构，其桩基沿横桥向布置出现偏离承台中心，如图1⒜所示［6-7］。

这种结构特殊、受力复杂的桩基沿横桥向布置偏离承台中心，导致其内外侧桩基受力不均匀，承台及桩基局部可能产生拉应力。为确保下部结构的安全和耐久性，需要进行专项分析和研究，确保桥梁结构安全。该桥墩处地质勘察钻孔柱状图如图1⒝所示。

图1 E15#桥墩构造图及桥墩处地基土层柱状图Fig.1 Structural Diagram of Bridge Pier E15 and Column Chart of Foundation Soil

2 结构分析

根据设计施工图分别采用ABAQUS 及Midas FEA两套软件建立整体分析模型，整体模型包括：墩身、承台和群桩基础［8］。并对2 个模型计算结果进行分析。主要计算内容包含单桩承载力分析、桩身的应力分析、桩基位移分析和承台最不利应力分析等几方面。

E15#桥墩平面如图2所示。

图2 E15#桥墩平面Fig.2 Plan of Bridge Pier E15# （cm）

2.1 分析计算主要依据

《公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范：JTG 3362—2018》、《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》、《公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 3363—2019》［9］、《公路工程技术标准：JTG B01—2014》、《公路桥涵施工技术规范：JTG∕T 3650—2020》、工程建设标准强制性条文（公路工程部分）、相关的设计施工图和工程勘察报告。

2.2 材料性能参数

桥墩、承台及桩基混凝土强度等级为C30，主要材料指标为强度标准值fck=20.1 MPa，ftk=2.01 MPa；强度设计值fck=13.8 MPa，ftd=1.39 MPa，弹性模量Ec=3.0×105MPa；泊松比μ=0.2。

2.3 设计荷载

本桥的设计荷载为公路-Ⅰ级，相应的荷载参数均按照《公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015》取值。由支座传递的上部结构反力及自重，以及土体对桩身的摩擦力根据原设计取值。根据设计院提供的桥梁上部计算结果，考虑最不利情况，各计算荷载及相关参数取值如下：外侧支反力RL=3 272 kN；内侧支反力RR=2 714 kN；容重γ=25 kN∕m3。

桥墩桩基处土层分布如图1⒝所示。土体参数按照详勘中室内土工实验数据取用，各层土物理指标如表1所示。

表1 桥墩处各土层有关设计参数Tab.1 Design Parameters of Each Soil Layer at Bridge Pier

2.4 建立模型

有限元模型计算采用文克勒模型。土层的参数取值参考施工图设计说明。水平抗力系数的分布采用m法，认为同一层土内的正、负摩擦力是均匀分布，桩土之间只存在压缩作用（见表2）。桩土间的作用以弹簧模型来模拟，相关单元选取如下：

表2 各土层水平刚度参数计算Tab.2 Calculation of Horizontal Stiffness Parameters of Each Soil Layer

⑴下部结构模型采用实体单元（见图3）。

图3 桥墩下部结构有限元分析模型Fig.3 Finite Element Analysis Model of Bridge Pier

⑵桩土之间的作用力用弹簧单元来模拟。包括一维、二维、三维空间纵向或扭转的弹性-阻尼，承受单轴的拉伸或压缩，每个节点有3个方向的自由度，没有弯曲和扭转。

⑶在ABAQUS 的分析模型中考虑了桩内纵向钢筋的影响，如图4所示。

图4 ABAQUS的配筋模型Fig.4 ABAQUS Reinforcement Model

将已给出的支座反力以3D 单元表面均布力的形式施加于内外侧两墩墩顶，桥墩截面积为1.5 m2，故均布面荷载分别为2 181 kN∕m2、1 809 kN∕m2。

3 结构计算分析

3.1 单桩承载力分析

依据文献［9］第6.3.3 条，摩擦桩单桩（钻孔灌注桩）轴向受压承载力容许值可按照下式计算：

各参数计算：桩底为强风化砂岩为不透水性土，且l∕d=35∕1.2＞25，故取λ=0.72。

依据文献［9］第4.3.4 条，强风化和全风化的岩石参照所风化形成的土类取值，故地基承载力深度修正系数按照密实中砂取k2=4.0。

桩底以上土层加权容重近似取粘土层重度，即γ2=2 020×9.8=19.796 kN∕m3，qr=m0λ｛［fa0］+k2γ2（h-3）｝=1.0×0.72×［400+4×19.796×（40-3）］=2 397 kPa，故qr=1 450 kPa。

根据单桩承载力计算公式及上述参数计算结果，得到桥墩处单桩承载力：［Ra］=×（2π×0.6）×（1.5×30+70×29.5+70×2+90×2）+π×0.62×1 450=6 220.4 kN

故单桩极限承载力为［Ra］=6 220.4 kN

由Midas FEA模型计算得到单桩最大竖向反力出现在外侧桩基处，且反力值为Ra=5 780 kN＜6 220.4 kN，即单桩所承受最大竖向反力略小于单桩极限承载力，故满足文献［9］要求，验算可以通过，但富余量不多。

3.2 下部结构应力分析

在自重和由支座传递的上部结构荷载作用下，ABAQUS、Midas FEA 分析得到下部结构应力，如图5所示。ABAQUS 模型的计算结果表明，最大拉应力位于内侧两根桩与承台结合部位，其数值为2.13 MPa；最大压应力位于外侧两根桩与承台结合部位，数值为5.94 MPa。Midas FEA 模型最大拉应力位于内侧两根桩与承台结合部位，数值为2.13 MPa；最大压应力位于外侧两根桩与承台结合部位，数值为8.41 MPa。2套软件的计算结果相近，桩体混凝土拉应力均超过C30混凝土抗拉强度设计值ftd=1.39 MPa。