系梁对哑铃型承台基础承载特性的影响研究

2022-03-19黄洁

城市道桥与防洪 2022年2期

黄洁

[上海市政设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着交通流量的逐年增加，我国新建及拟建桥梁结构的桥面宽度逐渐加大。因此，桥梁基础承台的平面尺寸逐渐增大。为了保证承台与桩基之间的相对刚度，减小承台自身的重量，分离式的哑铃型承台逐渐成为目前大跨桥梁结构基础常采用的一种形式。与整体式承台不同，分离式的哑铃型承台是由两个独立的承台之间通过一根系梁连接而成。国内外学者也对哑铃型承台基础的受力性能进行了一定的研究。目前，系梁刚度及桩基布置对哑铃型承台基础承载变形特性的影响研究不多。

在目前的实际工程中，承台系梁一般采用钢筋混凝土材料。系梁的截面尺寸如何设计对哑铃型承台基础受力更有利，系梁底布置桩基是否合适等问题并没有得到论证。因此，现将结合有限元方法、桥梁结构理论[1]及公路桥梁规范[2-3]，对上述问题进行研究，以期对哑铃型承台的设计和使用提供指导。

1 哑铃型承台群桩基础计算模型

现以一实际桥梁工程的哑铃型承台基础为背景，建立有限元分析模型。该桥主桥上部结构为漂浮体系斜拉桥。主墩承台为哑铃型承台，主墩每侧哑铃型部分半径18.7 m，其下布置28 根2500 mm 钻孔灌注桩，桩长79 m，冲刷线以上桩长9.2 m。承台圆柱形部分高11 m，园锥形部分高5 m。

现结合有限元法，使用MIDAS FEA 软件进行建模。桥墩和承台系梁采用有限元实体单元模拟，桩基采用梁单元模拟，转换模型重量为集中质量。承台与墩底、系梁和桩顶刚性连接，桩底固结。上部结构作用于桥墩顶部，上部结构传递的单个墩柱主要荷载如表1 所列，其中汽车荷载与上部结构恒载为对称荷载，横向风荷载为反对称荷载；分析模型如图1 所示。

表1 FEA 计算荷载汇总表（单个墩柱）

图1 哑铃型承台基础有限元模型

2 不同宽度系梁对哑铃型承台群桩基础承载特性的影响

2.1 不同宽度系梁对系梁自身的内力影响

现建立不同宽度（B=12、16、20 m）系梁的有限元模型，系梁高H=11 m，分析不同宽度系梁在各类型荷载作用下对系梁中点内力的影响。系梁中点内力反应出系梁传递承台间的内力，同时也控制着系梁本身结构承载力验算。

表2～表5 分别为哑铃型承台在自重作用、上部结构恒载、横向风荷载作用下，以及汽车荷载作用下系梁中点内力对比表。从表中可以看出，除了在横向风作用下系梁中点内力几乎为零。系梁宽度越宽，系梁抗弯刚度则越大。系梁宽度B=20 m 比系梁宽度B=12 m 的抗弯刚度增加66%，在自重作用下，系梁中点产生了很大的轴力，以及弯矩，轴力增加54.9%，弯矩增加112%。在横向风作用、上部结构恒载，以及汽车荷载作用下，随着系梁的增宽，系梁传递的轴力没有变化，弯矩分别增加了39.79%、35%，以及37.31%。

表2 自重作用下不同宽度系梁中点内力表

表3 横向风荷载作用下不同宽度系梁中点内力表

表4 上部结构恒载作用下不同宽度系梁中点内力

表5 汽车作用下不同宽度系梁中点内力

综上所述，系梁宽度影响着系梁刚度，系梁刚度影响了系梁在承台间传递的剪力与弯矩，但对系梁在承台间传递的轴力影响很小。

系梁在自重作用时，主要向承台传递系梁自身重力，随着系梁宽度增加，自身重力的增量及百分比都很大，对结构不利；在横向风荷载、上部结构恒载，以及汽车荷载作用下，随着系梁宽度增加，刚度增大，传递的剪力或弯矩有较大增加，对结构有利。自重作用下增加的对承台不利弯矩，要明显大于其他荷载作用下对承台传递的有利弯矩。

2.2 不同宽度系梁对桩顶反力分布的影响

在上述不同宽度（B=12、16、20 m）系梁的有限元对比模型的基础上，分析不同系梁宽度对哑铃型承台群桩基础桩顶反力分布的影响。

表6～表9 分别为哑铃型承台自重作用、横向风荷载作用、上部结构恒载及汽车荷载作用下桩顶反力对比表。从表中可以看出，随着系梁宽度增加，自重作用下桩顶最大轴力及最大弯矩都增加，对桩基结构受力不利。其他上部结构荷载作用下，随着系梁宽度增加，桩顶最大轴力及弯矩都有所减小。其中，由于在横向风作用下，系梁传递剪力，所以最大轴力减小的幅度最大。

表6 自重作用下桩顶反力表

表7 横向风荷载作用下桩顶反力

表8 上部结构恒载作用下桩顶反力

表9 纵向汽车荷载作用下桩顶反力

哑铃型承台随着系梁宽度增加，系梁自重增加，向承台传递很大的内力，从而导致桩顶反力增加很大。在其他荷载作用下，系梁向承台间传递的轴力变化百分比很小，传递的弯矩有所增加，但弯矩一般均分至承台底的众多桩顶上，从而导致桩顶最大轴力及弯矩有所增加，但增加百分比很小。

3 不同高度系梁对哑铃型承台群桩基础承载特性的影响

3.1 不同高度系梁对系梁自身的内力影响

建立了对比有限元模型，其系梁取不同高度H=11 m 及H=7 m，系梁宽度取B=12 m，对比分析系梁高度在各类型荷载作用下对系梁中点内力的影响。系梁中点内力反应出系梁传递承台间的内力，同时也控制着系梁本身结构的承载力。

表10 为哑铃型承台在自重作用下系梁中点内力对比表。系梁高度越高，系梁抗弯刚度则越大。系梁高度H=7 m 比系梁宽度H=11 m 的抗弯刚度减小了74.2%，在自重作用下，系梁中点轴力减小16.52%，弯矩减小65.84%。同时通过研究表明：在横向风作用、上部结构恒载，以及汽车荷载作用下，随着高度的减小，系梁传递的轴力变化百分比很小，弯矩分别减小了67.64%、70.79%及69.53%。在横向风作用下，系梁传递的剪力减小了27.8%。

表10 自重作用下不同高度系梁中点内力对比表

综上所述，由于系梁高度比宽度对系梁刚度的影响更大，系梁增加高度比系梁增加宽度，在系梁自重作用下对承台不利影响更小；在其他荷载作用下，系梁传递的弯矩增加百分比也更大，对结构的有力影响也更大。不同高度系梁在其他荷载作用下在承台间传递的轴力相近。

3.2 不同高度系梁对桩顶反力的影响

在上述不同高度的有限元对比模型的基础上继续分析系梁高度在各荷载类型作用下对桩顶反力的影响。

表11 为哑铃型承台自重作用下桩顶反力对比表。从表中可以看出，随着系梁高度减小，自重作用下桩顶最大轴力及最大弯矩都减小，对桩基结构受力有利。同时通过研究表明，在横向风荷载作用下，由于系梁传递剪力及弯矩，承台底桩基最大轴力增加12.71%，对桩基结构不利。在上部结构恒载及汽车荷载作用下，桩顶反力变化不大。

表11 自重作用下桩顶反力对比表

综上所述，系梁高度主要影响系梁刚度，系梁刚度影响了系梁在承台间传递的剪力与弯矩，但对系梁在承台间传递的轴力影响较小。

随着哑铃型承台系梁高度减小，自重减小对桩基的有利影响要远远大于横向风作用下对桩基的不利影响。

4 系梁桩基对哑铃型承台群桩基础承载特性的影响

在工程实践中，哑铃型承台往往在系梁底设置桩基。现通过分析系梁下桩基是否影响承台整体的抗弯刚度，进而对哑铃型承台的基础承载特性产生影响，从而建立MIDAS FEA 有限元模型对比模型，分析系梁底桩基的作用，其中系梁宽度B=12 m，高度H=11 m，桩基距对称中心线8.0 m（见图2）。图3、图4 为系梁下无桩（或有桩）在自重作用及上部恒载作用下桩顶轴力图。