大跨径无缝准连续梁桥RPC钢管混凝土灌注桩参数优化分析.pdf
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1、书书书第 卷 第 期年 月沈阳工业大学学报 收稿日期:基金项目:辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才项目();中铁十九局集团有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:赵立财(),男,辽宁盖州人,高级工程师,博士,主要从事岩土与结构相互作用、桥梁工程智能建造与灾变防治理论等方面的研究 :大跨径无缝准连续梁桥 钢管混凝土灌注桩参数优化分析赵立财,饶波,许高明,徐亮(台湾科技大学 营建工程系,台北 ;中铁十九局集团第三工程有限公司,沈阳 ;中国铁路西安局集团有限公司,西安 ;沿海铁路浙江有限公司,浙江 宁波 )摘要:为了解决无缝桥梁桩基存在易腐蚀、打桩难等问题,以某无缝准连续 梁大桥为研究背景,通过有
2、限元分析建立了大桥整体模型以及二维弹簧框架简化模型,开展了桩基受力性能有限元分析 将各层地基土的水平抗力比例系数 值换算成一个等效的 值,针对桥台 混凝土(活性粉末混凝土)灌注桩桩身正截面受荷载作用效应的压应力、拉应力进行了对比分析 结果表明,值、桩径对桥台 钢管混凝土灌注桩桩身正截面受力特性影响显著,桩身截面入土深度为 时产生的拉应力与压应力值最大关键词:无缝桥梁;等代柱长;桩截面;灌注桩;有限元分析;整体模型;简化模型;扩孔填充中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,):,(),:;目前,国内在建的桥梁主要为有伸缩缝的桥梁,桥梁主体结构通过伸缩缝和支座来吸收温度,从而引起梁
3、体混凝土膨胀与收缩,而梁体的混凝土收缩和徐变会引起桥梁基础产生不均匀沉降我国桥梁设计使用年限均为 年以上,而桥梁使用年限在 年左右时,其桥梁的伸缩装置会出现损坏现象,给行车安全带来不利影响为解决伸缩缝处的各种病害问题,国内外研究人员针对整体式桥梁研究较多,主要集中在无伸缩缝桥梁整体性能,以及减少伸缩缝数量等方面 许震等 建立桩 土相互作用的桥梁有限元实体模型对下部结构不同连接方式进行受力性能分析,得出主梁与桥台橡胶垫连接方式对整体桥产生的附加轴力、弯矩远大于主梁与桥墩处的连接方式;黄福云等 通过试验循环加载全过程桥台 桩基 土相互作用会产生累积变形,桩基的累积变形大于桥台的累积变形;吴庆雄等
4、研究了台后土压力大小及其衰减规律,并给出了桥台内力和台后土压力计算方法;王先前等 研究表明,桥台增高,台后土压力随之增大,桩基顶顺桥向水平位移减小,自振基频增加,减小了桩基顶水平位移,提高了自振频率,从而提高了结构整体刚度;高超等 指出中国无缝桥数量较少,且整体桥应用仅 ,既有桥梁改造仅有 座,应加速有缝桥的无缝化改造,丰富无缝桥的应用桥型;付毳等 指出混凝土微型桩的约束作用会使主梁在升温、降温、收缩徐变作用下的轴力增大,在地震荷载作用下位移反应减少可提高桥梁的抗震性能 研究表明,整体式桥梁避免了由于桥梁加装伸缩装置可能引起的一系列问题,同时又能提高桥梁的整体性能和抗震性能,使其成为一种很具吸
5、引力的桥型方案针对无缝桥结构,国内外无缝桥梁的桥台基础加固多采用普通混凝土桩,其弹性模量大,抵抗桩身周围土体水平反力能力较差 为解决此问题,研究人员尝试用钢管桩作为基础,但这类桩的轴向和抗弯承载力有限,容易发生屈曲 考虑到无缝桥梁桥台、墩身的桩基础长期处于弯、压、剪的复杂受力状态下,为了使微型桩在适应温度作用下产生水平变形,但又具有足够的轴向抗压和侧向抗弯承载能力,设计出一种 钢管混凝土灌注桩结构,该桩基柔性好、自重小、抗水平变形能力强,还具有较高的韧性 钢管混凝土灌注桩能够较好地适应水平向变形要求,还能避免桩身发生侧向屈曲本文以某无缝准连续 梁桥为研究背景,在恒载 汽车荷载 整体降温不同组合
6、条件下,对 钢管混凝土灌注桩桩径变化、桩周土体性能(值)变化以及收缩徐变开展了无缝准连续梁桥台 钢管混凝土灌注桩桩基支承受力性能研究,寻找出 钢管混凝土灌注桩桩基础正截面受力最为不利位置,进一步修正无缝准连续梁桩基设计理论与复合地层环境下桥台 钢管混凝土灌注桩设计标准,为该类型桥梁设计提供参考 整体桥有限元模型 研究背景某大桥采用 准连续 梁,梁高,桥宽 ,全长 ,全桥不设置伸缩缝,为福建省第一座采用预应力混凝土 梁的大跨无缝桥梁 该桥两端桥台与 梁之间、相邻跨梁之间无伸缩缝,梁与桥台节点为塑性铰接固结成一体 某大桥桥台后填土为砂砾,其摩擦角为 ,容重为 桥台采用单排(根),假设 桩的桩径 为
7、 不同尺寸的圆柱形桩基,支撑墩下部为双排(根)钢管混凝土灌注桩基,桩径为 ;无缝准连续桥梁的桥台承受荷载较大,需通过建立有限元模型来确定无缝准连续桥的桥台最优桩径以承担上部结构的变形,避免桩台连接处的刚度变化过大而在连接处产生裂缝 某大桥结构参数与 梁横断面结构设计如图 所示(单位:)模型计算参数确定由于全无缝桥梁桩基部分受力变形实质为结构与土的共同作用,情况较为复杂,而且还需综合考虑桥梁主梁截面变化、桥梁施工过程等要素,分析桥台在受到外荷载和温度作用下 钢管混凝土灌注桩基础与周围土体的相互作用 计算时结合某大桥地质勘察资料与 公路桥涵地基与基础设计规范()进行计算取值,计算参数如表 所示 边
8、界条件在 软件分析中,桩侧的土弹簧采用受压折线弹簧进行模拟,桩沿顺桥向两侧分别布置受压弹簧 桩顶与墩身底部、桩顶与桥台底部、主梁与桥台之间连接,桥台搭板与台后填土、桥台及主梁之间接触采用共用节点刚接模拟,采用约束方程方法,桩底边界条件采用固定约束处理,约束 个方向的位移自由度 桩身侧面、主梁及桥台侧面的土压力采用两节点非线性弹簧模拟,弹簧沿第 期赵立财,等:大跨径无缝准连续梁桥 钢管混凝土灌注桩参数优化分析图 某无缝准连续梁桥结构设计 图 某大桥荷载横断面布置 水平向,一侧连接在桩上,另外一侧连接固结点 在 中桩基与桥台材料选用自定义材料,桩体截面如图 所示,钢管混凝土灌注桩实体如图 所示,桩
9、体材料 如表 所示 有限元模型建立与简化以某大桥为例,采用“梁格法”建立桥梁三维空间有限元简化模型,不考虑搭板对无缝桥梁的约束影响,针对主桥在升、降温以及混凝土的收缩徐变等荷载作用下的桩基正截面受力性能进行了分析 无缝准连续桥梁桥台采用线弹性本构模型,土壤采用 本构,土壤与混凝土桩基之间的粘结滑移采用非线性 弹簧单元来模拟,梁与无缝桥台采用 三维实体单元,梁与桥台之间为共用节点刚性连接墩身、钻孔灌注桩采用三维梁单元 ,桩基与桥台、桩基与墩身之间通过塑性铰连接;梁与墩身之间(主梁和主梁连接处)为转动弹簧塑性铰,该塑性铰节点使用 线弹簧单元来模拟其非线性转动刚度 桩基侧土对桩基的作用采用离散线性土
10、弹簧单元 来模拟,桩土相互作用弹簧刚度用 法确定 墩身、桩基础、桥台的单元离散原则是相同的,整体模型共有 个节点,个单元表 土层计算参数 地层弹簧刚度()土层名称层厚 弹性模量 摩擦角 ()泊松比 粘聚力 粉细砂 粉质黏土 中砂 密实砂土 砂土 采用有限元分析软件进行建模时,对计算模型做了如下假定 :)“桩土相互作用”关系利用简化模型中的桩侧土弹簧刚度的 法模拟;法土弹簧模型使用纵向弹性连接来连接台背节点和台背外约束三个自由度的节点,弹性连接的侧向土弹簧刚度由法计算得到;桥台、墩身下部桩基侧土对桩基的作用采用离散线性侧向土弹簧 单元模沈阳工业大学学报第 卷图 钢管混凝土灌注桩桩体截面 图 钢管
11、混凝土灌注桩实体 表 桩体及桥台混凝土材料参数 材料类型桩径 搭板厚 台高 泊松比 膨胀系数弹性模量 密度()混凝土 钢管 混凝土 拟,主梁采用梁格体系模拟 法是将土体离散称为线性弹簧,在 公路桥涵地基与基础设计规范()中阐述的 法计算公式为 ()式中:为地基系数;为各土层实测比例系数;为土层深度根据太沙基理论分别按黏性土和砂性土提出了桩侧土水平弹簧刚度 值,当横向水平位移距离为 时,采用 法可计算出 钢管混凝土灌注桩侧土水平弹簧刚度 为 ()式中:为灌注桩在土层深度 处的水平方向应力;为圆形桩的计算宽度水平抗力系数沿深度线性变化,根据各土层实测比例系数 值计算得到台后土水平弹簧刚度由 建筑桩
12、基技术规范()得知,当无条件进行现场试验测定时,可采用的经验值如表 所示 图 为桥台桩基 土相互作用局部简化模型表 地基土水平抗力系数的比例系数 值 地基土类别 钢管混凝土灌注桩值()单桩在地面处水平位移 淤泥质土;饱和湿陷性黄土 流塑()、软塑()状黏性土;粉土;松散粉细砂;松散、稍密填土 可塑()状黏性土、湿陷性黄土;粉土;中密填土;稍密细砂 硬塑()、坚硬()状黏性土;粉土;中密的中粗砂;密实填土 中密、密实的砾砂、碎石类土 荷载作用下计算参数取值某大桥台后填砂土要求压实度为 ,属中密状态,在竖向荷载效应下,计算参数分别为 值与 钢管混凝土灌注桩桩径的变化值 具体计算变量参数如下:)值
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