自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究_赵宝俊.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 陕西省自然科学基金项目（）作者简介 赵宝俊（），男，陕西西安人，高级工程师，工学博士，主要从事高速公路项目建设管理和科技创新研究相关工作。引文格式 赵宝俊，王一晨，朱传超 自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究 公路工程，（）：，（）：自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究赵宝俊，王一晨，朱传超（.陕西交通控股集团有限公司，陕西 西安；.长安大学，陕西 西安）摘 要 自锚式悬索桥桥塔群桩基础在主塔自重与强大的主缆下崩力的作用下，其水平抗推力要比一般梁桥群桩基础大得多，充分释放和利用桥塔群桩基础的水平抗推潜能，对于改变自锚式悬索桥施工工艺有着重要的研究意义。通过现行规范法与 有限差分模型就群桩基础的水平抗推性能进行研究对比，并建立 有限差分模型，模拟自锚式悬索桥桥塔群桩基础在施工阶段结构的受力状况。研究表明，规范法在水平荷载较小时能较准确地反映桩土相互作用，随着水平荷载的增大，该方法会导致计算结果误差较大；采用 有限差分软件建立桩土模型能够较好地模拟桩土之间的相互作用，为实际工程中采用临时塔锚式施工的自锚式悬索桥提供一定的指导帮助和参考价值。关键词 群桩基础；自锚式悬索桥；临时塔锚式中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，.，；.，），.，.，.；公路工程 卷 引言自锚式悬索桥在采用“先缆后梁”的临时塔锚式施工时，桥塔基础在较大水平力的作用下有可能发生整体滑移、倾覆或者断裂等破坏。现有规范中计算桥梁基础水平承载力只考虑水平荷载单一作用，不考虑竖向力和水平力组合作用，因此，对桥塔基础在施工过程中受到二力耦合作用下的研究非常有必要。关于群桩基础的计算分析国内外已有研究，一般分为简化平面计算法和三维空间计算法两大类。提出弹性理论法，结合 积分解求得群桩中各桩的相互作用系数和群桩基础的整体位移，再求解出单桩所承受的未知荷载。群桩基础线弹性地基反力法基于文克尔地基梁，运用结构力学中位移法求解外荷载在各桩的分配，再计 算 出 各 桩 的 内 力 和 位 移。刘 硕 天通 过 有限元分析在高低承台的存在下单桩和群桩水平承载力的前后变化效应。任庆利采用 对模型模拟时的三维尺寸进行了探讨，并从桩形参数和土体参数两方面分析了群桩基础的水平受力特性。何光春研究了单桩与群桩中各桩的 曲线在水平荷载作用下桩间距、桩的埋深与荷载大小等影响下产生群桩效应的临界桩距。韩洁在何光春研究的基础上，又综合考虑桩距、桩径等因素对群桩基础的相互影响，提出了一种计算群桩效应的经验公式。现有群桩基础的主流计算方法依据小变形原理分开计算竖向力与水平力的作用，并没有考虑到二者耦合作用下群桩基础的水平承载力。规范法中计算群桩基础的水平承载力时，软化了土的控制条件，随着荷载的增大，并不能准确反映桩土的相互作用。本文使用 有限差分软件建立的桩土模型能够较好地模拟桩土之间的相互作用，同时考虑竖向力与水平力耦合作用模拟群桩基础的工作性能。本文主要工作如下：采用规范法和 有限差分模型对同一群桩基础实例进行计算对比，对规范法中 取值进行研究，并探寻桩径与桩间距的变化对群桩基础水平承载力的影响；建立某采用临时塔锚式施工主梁的自锚式悬索桥桥塔群桩基础的 有限差分模型，对桥塔群桩基础在施工阶段和成桥运营阶段进行分析，为使用临时塔锚式施工方法建造自锚式悬索桥时群桩基础可行性方面提供参考。规范法与 数值模拟.规范中群桩基础水平承载力计算原理现行规范中计算群桩基础的水平承载力，使用的是线弹性地基反力法，即平面 法，采用文克尔（）地基梁假定。基于上述假定，就可以将材料力学中梁在分布荷载作用下挠曲变形的计算理论成功地引入到桩基在水平荷载作用下的内力计算中。假定桩周土处于弹性阶段，把在水平力作用下桩发生的形变，视为长度有限或长度无限的梁作用在无数独立的弹簧支座而发生的变形，可将在分布力作用下的弹性地基梁发生的形变计算转化为桩在水平力作用下的内力问题。通常水平地基比例系数 值的选取是通过现场水平静载试验得到的，倘若无实测资料时，可根据现场实测土质在规范中取值。在计算时可认为群桩是一个超静定的刚架结构，当承台上作用外荷载时，在计算出各个桩顶的、后，采用单桩的方法可以分别计算各桩的位移和内力。.模拟群桩基础水平承载力基本原理 是一种三维显式有限差分法的数值计算分析软件，求解原理和思路主要是：将基本方程采用差分方程替代，用代数方程求解，把求解微分方程的问题转化为求解代数方程的问题，结合边界条件，随后运用计算机进行重复迭代的计算。计算模拟时主要经过以下步骤，见图。图 建模流程图 群桩基础一般通过钻孔或预压等措施埋置于土体中，施工过程中会对桩周土体产生挤压密实等效应，因而桩基与桩周围土发生摩擦作用而产生黏聚力。采用数值方法建立桩土相互作用模型时，桩土第 期赵宝俊，等：自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究 材料性质不同导致其表现的差异性较大，最为明显的就是二者之间的刚度差异。通过设置假想面来模拟桩土相互接触的实际问题。.群桩基础水平承载力分析某群桩基础基本结构见图，桩基础采用 混凝土，承台采用 混凝土。地基土体为密实细砂夹砾石，内摩擦角 ，土 的 重 度 为.（已考虑浮力），弹 性 模 量 为。根据规范，土体的 值为 。本节取最小值、中间值和最大值，具体为 、和 ，采用规范法和 有限差分模型分别计算群桩基础在水平荷载作用下的位移。同时按照表 的对比方案，取地基比例系数 为 时，群桩基础采用不同桩径和不同桩间距时，计算在不同水平荷载作用下的群桩基础在地面（或局部冲刷下）位移值。本文以图 中的 桩的计算数据作为各工况下的群桩对比数据。表 计算方案 桩长 地基比例系数（）桩径 桩间距（）.图 桩的排列方式和承台 采用 数值模拟计算时，取总计算模型尺寸为：长 宽 高.；承台尺寸为：长 宽 高 ；桩长为：。具体模型见图，将承台与桩基简化为各向同性的弹性本构模型，土体选用摩尔 库仑本构模型（），土体各参数取值如下：为 ，为.，为.，为 ，为.，为 ，为，、为。图 群桩基础有限差分模型 现将规范法与 数值模拟的计算结果进行对比分析见图 图。图 规范与数值法的桩顶水平位移 图 不同桩径下的群桩基础水平位移 公路工程 卷图 不同桩间距下的群桩基础水平位移 由图 可见，在水平荷载小于 时，采用数值分析计算得到的群桩基础的水平位移与规范法中当 取 时的计算结果接近，与其他两组 取值结果区别较大，证明使用规范法计算群桩基础的水平承载力时，值的选取至关重要。随着水平荷载的逐步增加，数值计算表明土体已经开始表现出了非线性，此时规范法的计算结果位移值为线性，与数值计算法的结果差值较大。因此，在较小水平荷载作用下，采用规范法计算桩基比较切合实际，随着荷载的增大，桩基在小变位的情况下开始出现了非线性，规范法已不能很好地反映实际情况，采用 数值模拟建立桩土模型能够较好地模拟桩土之间的相互作用，反映实际情况。由图 和图 可见，规范法和 数值模拟两者计算结果都表明桩径、桩间距在一定范围内变化都可以减少群桩基础在地面（或局部冲刷线）处水平位移，且降低效应值基本类似。在群桩基础发生小变位的情况下，通过桩径的改变，对地面（或局部冲刷线）处的水平位移降低是最明显的，桩间距的调整效果次之。桥塔群桩基础的受力分析以某典型双塔三跨自锚式悬索桥为例，计算其采用临时塔锚式施工中跨主梁时其桥塔群桩基础的水平抗推能力。先采用 建立该自锚式悬索桥有限元模型，模拟其采用临时塔锚式施工中跨主梁时，桥塔基础在施工过程中所受到的水平力、竖向力和顺桥向弯矩与其完成合龙后和成桥运营阶段下群桩基础的受力状况。随后建立该桥塔群桩基础的 有限差分模型，计算群桩基础在施工阶段和成桥运营阶段下桩顶的水平位移和桩身截面强度是否满足要求。.主桥有限元模拟该自锚式悬索桥为典型双塔三跨布置形式，中跨竖向矢跨比 ，共设 对吊索，吊索纵桥向间距 ，横桥向间距.。主塔承台顺桥向宽.，横桥向宽.，厚.。承台下共设置 根直径.钻孔灌注桩基础，桩间距。其总体布置见图，各构件具体参数见表。图 某自锚式悬索桥总体结构布置示意图（单位：）（：）表 构件材料参数表 构件名称单元类型弹性模量容重（）泊松比主缆索单元.吊索索单元.钢箱梁索单元.锚固块混凝土梁单元.主塔梁单元.成桥阶段采用一次成桥，考虑主桥结构自重与二期铺装等恒载作用，并同时考虑汽车荷载、风荷载与水流等活载作用。桥塔群桩基础在成桥运营阶段下的受力如下：节点号为，水平力为 ，竖向力为 ，顺桥向弯矩为 。该自锚式悬索桥采用临时塔锚式施工主梁时，采用 对其施工过程进行正装分析法，计算其在各个施工阶段中产生的水平力。中跨主梁吊装顺序见表，吊索布置顺序见图，本节将重点分析每吊装一个主梁块段时，主缆传递给桥塔群桩基础承受的水平力，竖向力和顺桥向弯矩等数值。表 临时塔锚式主梁吊装施工流程表 施工顺序施工内容对称吊装中 块段主梁，并对称张拉 吊杆对称吊装中 块段主梁，并对称张拉 吊杆对称吊装、块段主梁吊装 块段主梁主梁合龙拆除临时锚固传力装置，主梁施工完毕第 期赵宝俊，等：自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究 图 吊索编号布置示意图 取在施工阶段下最不利受力的桥塔群桩基础进行分析，运用 计算出随着主梁吊装的进行桥塔群桩基础所受到的组合荷载的大小，具体计算结果见表。.桥塔群桩基础模型根据现场勘测地层资料，计算主要考虑其 个主要层次的土，各地层岩性特征和主要物理力学参数值见表。计算模型尺寸为：长 宽 高.；承台尺寸为：长 宽 高 ；桩径：，桩长：。具体模型见图。.桥塔群桩基础数值模拟计算结果.桥塔群桩基础运营阶段数值模拟计算将.节中求得的桥塔群桩基础在成桥运营阶表 施工阶段桥塔群桩基础受力结果表 节点号施工阶段水平力竖向力顺桥向弯矩（）主索鞍顶推 吊杆中 吊杆中 吊杆中 吊杆中 主索鞍顶推 吊杆中 吊杆中 吊杆中 吊杆中 吊杆中 吊杆中 吊杆中 表 地基土物理力学参数 土体 （）（）粉土.粗砂.砂砾岩 .泥岩.图 桥塔群桩基础模型 段的受力输入到 模型中，计算组合荷载作用下桥塔群桩基础的水平位移与桩身拉应力见图 和图。图 为桥塔群桩基础在组合荷载作用下在地面（或局部冲刷线）处的水平位移，数据表明在图 成桥运营阶段桥塔群桩基础的水平位移（单位：）（：）组合荷载作用下群桩基础的水平位移为.，可以忽略水平位移对群桩基础的影响。图 为群桩基础在运营阶段的出现的拉应力，图中桩身没有出现拉应力，桩身整体以受压为主。公路工程 卷图 成桥运营阶段桥塔群桩基础的桩身拉应力（单位：）（：）.桥塔群桩基础施工过程数值模拟计算将.节中计算所得该自锚式悬索桥在施工吊装各中跨主梁时桥塔群桩基础的水平力、竖向力和顺桥向弯矩数值输入到 模型中，其中顺桥向弯矩利用等效原则转化为水平力，对群桩基础进行组合荷载模拟。计算结果见图 至图。图 吊装主梁过程中群桩基础桩顶处水平位移（单位：）（：）图 吊装 主梁块段时群桩基础的水平位移（单位：）（：）从图 可见，随着中跨主梁吊装的进行，水平力与竖向力在逐步增大的情况下，桥塔群桩基础在吊装 块之前其水平位移基本为，随着主梁吊装的继续，群桩基础在地面（或局部冲刷线）处的水平位移开始逐渐增大。水平位移变化说明在水平荷载较小时，群桩基础受到竖向力的作用增加了桩土之间的摩擦力，因而限制了水平位移的发生，但是随着水平荷载的增大，竖向力的约束作用开始失效，水平位移随着荷载的增大而逐步发生。图 表示完成最后一块主梁吊装时群桩基础水平位移达到最大值为.，小于规范中的水平位移限值。图 吊装主梁过程中群桩基础桩身最大拉应力（单位：）（：）图 吊装 主梁块段时群桩基础的桩身应力图（单位：）（：）从图 可见，在主梁吊装到 时，桩身截面基本没有出现拉应力，随后随着主梁的吊装，桩身开始出现拉应力，最大拉应力出现在主梁最后一个块段的吊装过程，最大值为.，见图，远小于混凝土的最大拉应力，因此在主梁吊装的整个施工过程中，桩基是安全可靠的。第 期赵宝俊，等：自锚式悬索桥桥塔群桩基础的抗推性能研究 .桥塔群桩基础水平力卸载数值模拟计算采用临时塔锚式施工，主梁完成合龙后形成加劲梁，其大部分主缆传递的水平分力将由主梁承担，桥塔群桩基础所受的水平分力将会大幅减小。在水平力减小的情况下，群桩基础在地面处的水平位移有可能发生回弹，本节在上节计算的基础上，将合龙后的水平力和竖向力施加进去得到桥塔群桩基础的结果见图 和图。图 群桩基础卸载之后的水平位移值（单位：）（：）图 桥塔群桩基础卸载之后的应力云图（单位：）（：）由图 可见，主梁合龙后，桥塔群桩基础的水平位移回弹了.，回弹比率相比于施工的最后一个阶段为.。由图 看出桥塔群桩基础此时以受压为主，沿桩身截面并没有出现拉应力。群桩基础此时相对于初始施工总共水平位移了.，小于规范中的 ，该桥塔群桩基础的受力是安全的。结语本文分别采用现行规范法和 有限差分模型对同一群桩基础计算分析，并建立 有限差分模型分析某采用临时塔锚式施工主梁的自锚 式悬索桥桥塔群桩基础受力特性。并得出如下结论：.采用规范法计算群桩基础的水平承载力时，值的选取是一个范围值，选取合适的 值是该法计算准确的关键。可以通过调整桩径、桩间距等措施提高群桩基础的水平承载力，但提升混凝土标号效果不明显，会造成工程上的浪费。.规范法在荷载较小时可以较准确地反映桩土相互作用，但随着荷载的增大，土体在小变位的情况下也会发生非线性变化，规范法的计算结果误差将会过大。.建立采用临时塔锚施工的自锚式悬索桥桥塔群桩基础 有限差分模型，分析桥塔群桩基础在成桥运营阶段和施工阶段的结构安全性，结果表明施工阶段与主梁合龙后桥塔群桩基础都是安全可靠的，这为采用临时塔锚式施工自锚式悬索桥提供有力的支持。参考文献 王晓明，雷晓鸣，王成树，等 自锚式悬索 斜拉桥吊装施工方法及其性能分析 桥梁建设，（）：张哲，窦鹏，石磊，等 自锚式悬索桥的发展综述 世界桥梁，（）：文曙东，郑凯锋，黄军 先缆后梁 施工建造自锚式悬索桥的研究 西南交通大学学报，（）：安丽勇，王健，王培晓 自锚式悬索桥 先缆后梁 施工方法的研究 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