基于全桥有限元模型的桩基缺陷影响分析

2021-09-23秦小平,全恩懋

交通科技与管理 2021年22期

秦小平,全恩懋

摘要：目前桥梁桩基的计算分析方法大多是沿用设计理论的基于简化模型的公式计算方法，该方法计算结果具有足够的安全系数，对桩基设计是适用的，但对于在役桥梁桩基的分析则不够精确。针对发现施工缺陷的在役桥梁桩基，提出了一种与桥梁实际状态更贴近的有限元计算方法。该方法首先通过桥梁检测和地质勘察获得桥梁计算相关参数，再建立有限元模型，通过在全桥有限元模型上施加各种荷载，计算分析得到桩基承载力及使用性能结果。

关键词：桥梁桩基;有限元计算;桩基承载力

桥梁桩基属于地下结构与岩体、土体间通过摩擦、挤压等传递桥梁上部荷载，由于岩土受力性质具有严重的非线性，桩周土、石的受力通常较为复杂。国内外桩身内力、位移的计算理论已有不少，我国土木领域普遍采用基于文克尔假定的弹性地基梁法，即将桩视为弹性地基上的梁进行桩基设计计算。在公路桥梁中，桩基设计采用“m-法”[1]。为简化工作内容，提高工作效率，目前设计计算中上下部结构、桩基础通常分开计算，即先算出墩顶内力再进行桩基计算，该计算思路忽略了土体对桥墩刚度的影响，对水平作用如制动力、温度力、风力等荷载的实际内力效果无法精确模拟。此外，桩基计算通过半解析公式进行，按条件划分成刚性桩和弹性桩，采用不同的计算方法，而实际工程中“弹性”和“刚性”无法简单的划分。因此，本文提出采用建立全桥有限元的方法，将上下部结构、桩基础、桩周岩土同时计算，并结合工程实例进行分析。

1 桥梁状况检测分析

1.1 工程概况

某高速公路特大桥引桥为12×30 m先简支后连续预应力砼T梁，共分为三联，第1联为4×30 m构造，第2联为5×30 m构造、第3联为3×30 m构造，横向采用5片T梁。根据桩基钢筋检测结果资料，现场抽查5-0#墩柱桩基钢筋布置与设计不符，钢筋数量原设计为38根，实测为19根。需评定桩基缺陷的影响。

1.2 桥梁检测情况

（1）上部结构：对全桥引桥T梁进行了外观检查，未见明显病害，各墩顶区域T梁梁端及现浇连续段未见裂缝等病害。对全桥引桥T梁支座进行了外观检查，板式橡胶支座未见严重的剪切、转角变形及严重脱空、串动等现象，支座垫石状况较好。

（2）下部结构：对全桥引桥共11个桥墩（梧州岸11个）进行了外观检查，共44个墩柱、22个盖梁均未发现明显病害;对墩柱尺寸进行抽查，合格率为100%。从桥墩检查情况看，下部结构施工质量总体较好，桥墩部件技术状况等级为1，对应的缺损状况评定标度值为1。墩柱尺寸（周长）抽查结果表明墩柱施工尺寸与设计尺寸偏差为-2 cm～2 cm。抽取1个下部桩基进行重新开挖，对露出的桩基部分进行了外观检查，未见明显病害。墩柱电位水平最低值为-78.71 mV，大于-200 mV，钢筋锈蚀电位评定标度值为1。墩柱钢筋保护层厚度特征值Dne为44.9 mm，设计值Dnd为40 mm，Dne/Dnd为1.12，大于0.95，钢筋保护层厚度评定标度值为1。墩柱混凝土推断强度匀质系数Kbt为1.60，平均强度匀质系数Kbm为1.82，混凝土推断强度匀质系数Kbt大于0.95，平均强度匀质系数大于1.00，混凝土强度评定标度值为1。

（3）几何测量：对引桥桥面线形进行了检测，桥面高程曲线基本平滑，无突变点，墩顶位置测点未见异常。表明引桥基础未见明显竖向沉降。对引桥墩柱进行了垂直度检测，引桥墩柱垂直度合格率为95.5%，经分析，存在的偏位超限可能为施工原因造成。引桥基础未见明显水平变位和转角。

（4）桥位环境调查：梧州岸引桥两侧主要为民房建筑，第5跨上跨乡村道路，右幅4#墩下建筑未拆除完全，桥下安全区均未见重载堆载现象，桥址周围未见工厂等地下水污染源。从桥位环境判断，引桥桩基未受侵蚀性环境水影响。

（5）地质勘察结果：根据桥梁施工图设计文件、地质勘察报告，综合土层厚度、桩长等因素，有代表性的选取5#墩进行地质勘察钻孔。结果表明：5#墩处土层厚度实测2.5 m，施工图为8.9 m，二者相差6.4 m。土样、岩样物理、力学性质与施工图基本一致。桥梁地质状况满足设计要求。通过复核桥梁桩基检测资料，桩基长度均满足设计要求;桩基嵌岩情況未查阅到相关资料。

2 桥梁检算参数计算

2.1 桩基土弹簧参数

结合桥梁施工图纸、地质勘察报告及本次地质勘察数据，桩基地基土的比例系数m可取为20 000 kN/m4，岩石地基抗力系数C0可取为15 000 000 kN/m4，土层厚度仍偏安全的按照地质勘察报告进行确定，根据“基础规范”计算桩基各位置的等代土弹簧刚度Ks。计算结果见表1。

2.2 典型活载作用

2.2.1 温度荷载

根据设计文件说明部分相关规定，现浇墩顶部T梁间连续段温度为15℃～20℃。参考《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015，以下简称“通用规范”）表4.3.12-2，南宁、广州地区混凝土桥有效温度标准值最高最低分别为34℃和0℃。偏安全的确定桥梁整体升温20℃，整体降温20℃。根据桥面沥青混凝土铺装厚度，温度梯度按T梁顶面日照正温差T1=20℃，T2=6.7℃，日照负温差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.2 汽车荷载制动力

根据“通用规范”第4.3.5条，一个设计车道上汽车荷载产生的制动力按车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算，但公路—Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165 kN。同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍。计算得，第2联、第6联桥1车道制动力为189.5 kN，则该联汽车荷载制动力为443.43 kN。

2.2.3 风荷载

按照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）计算主梁、桥墩的纵、横向风荷载。

3 计算方法及有限元模型

本次检算采用有限元建立全桥模型进行计算，桩侧土考虑为土弹簧。若需采用“C”法、“m”法等简化解析计算方法进行验证，可参考《桂平官侯郁江特大桥引桥桥梁桩基承载能力计算书》、《K124+770桂平官侯郁江特大桥引桥桥墩桩基核算书》等资料计算结果，并按“评定规程”第7.3条进行承载能力和裂缝宽度评定。

根据设计图纸及现场检测结果，将结构离散为空间杆模型系，第2联模型共2 149个杆系单元，1 526个节点。其中上部T梁采用梁格模型，共1 885个单元，横向连接采用不计容重的虚拟横梁，简支端支座采用弹性支承，连续端支座采用弹性连接，弹性支承及弹性连接参数按设计的支座规格进行计算。盖梁及支座垫石共92个单元，盖梁单元和支座垫石单元间采用刚性连接。第2联桩基共160个单元，桩基土弹簧采用弹性支承进行模拟。结构分析程序采用Midas Civil，有限元模型见图2～图4。

4 计算结果

4.1 承载能力极限状态

在作用基本组合下，第2联桩基计算抗力值均大于内力值，表明其承载力满足要求。现状态与设计状态比较，桩基安全储备变化情况见表2。

4.2 正常使用极限状态

在作用频遇组合下，第2联仅5#墩桩基出现拉应力，裂缝宽度最大值为0.079 4 mm，裂缝宽度满足要求，其余桩基均未出现拉应力，计算表明第2联下部桩基正常使用极限状态仍有一定应力储备，抗裂性能满足要求。现状态与设计状态比较，桩基裂缝宽度变化情况见表3。

5 结论

采用建立全桥有限元模型的方法，将上下部结构、桩基础、桩周岩土同时进行计算，可以更客观的计入上下部结构对桩基的影响，更准确的计算各种荷载在桩基的内力作用，从而解决了人工计算上下部结构刚度时计算假定过多、精度不足、偏于保守的问题，提高了检算结果的精度，能够给评估工作提供更准确的数据资料。

参考文獻：

[1]《公路桥涵地基与基础设计规范》中华人民共和国标准（JTG D63-2007）[S].

[2]陈韬.大型桥梁桩基施工单桩承载力评估模型分析[J].湖南交通科技，2020，46（4）：91-93+124.

[3]赵明华，杨超炜，杨明辉，等.基于有限杆单元法的陡坡段桥梁基桩受力分析[J].中国公路学报，2014，27（6）：51-58+108.

[4]王东栋，孙钧.基于广义剪切位移法的桥梁桩基长期沉降分析[J].岩土工程学报，2011，33（S2）：47-53.