承台封底混凝土精细化受力分析

承台封底混凝土精细化受力分析黄 宇 宁艳玲中交一公局厦门工程有限公司【摘 要】：厦漳跨海大桥南汉桥主承台施工采用钢吊箱的结构形式，封底施工后在低水位情况下浇注第一层承台混凝土，按常规方法计算得护筒与封底混凝土粘结力不满足要求，故拟在全部护筒上采取加强措施。为精确计算各护筒实际粘结力分配值，采用有限元软件对封底混凝土进行分析，找出最不利护筒所在位置并仅对此进行加强，从而更准确的指导施工。【关键词】：封底混凝土 粘结力 有限元 1、承台结构形式主承台为哑铃型，外轮廓尺寸：55.9m(长)28.6m(宽)6m(高)，封底混凝土厚2m，承台分两次浇注，吊箱底高程-5.5m，吊箱顶高程+5.5m；承台底高程-3.5m，承台顶高程+2.5m，承台混凝土分两次浇注，从下往上各层浇注高度为2.5m、3.5m。除哑铃中间1号位置桩基直径为2.5m外，其余桩基直径均为2.8m，承台平面布置如图1：2、验算缘由及内容当浇注承台混凝土时，封底混凝土仅靠粘结力与桩基连接，故有向下滑落的可能性。在首层承台混凝土浇筑接近完成时（混凝土未凝固），出现最低潮，此时为最不利工况，故需对该工况下的封底混凝土抗滑落的稳定性进行分析，验算封底混凝土粘结力及抗裂性能是否满足要求。传统计算方法先对最不利工况时的向上、向下力作比较，再将粘结力不足值平均于护筒，其计算如下：向下的力：钢吊箱自重：G1=1228t；封底混凝土自重：G2=2.4963.22=4623t；（封底混凝土高度2m）第一层承台自重：G3=2.611772.5=7651t；（第一层承台浇筑2.5m）向下的力：承台受浮力F=963.24=3853t；（低潮位时4m水头）护筒粘结力T=(323.142.852+23.142.52)15=9062t；（32根2.85桩和2根2.5桩）则：抗滑落安全系数K=向下/向上=(3853+9062) /(1228+4623+7651)=0.951.1，不满足要求。若考虑抗滑落安全系数不小于1.1，则需要底板承受的竖向荷载大小为13501.9（1.1-0.95）=2025t，分配到每根桩为2025t/34=60t，则每个护筒均需要焊接加强措施以保证粘结力满足要求。显然，传统的计算方法将封底受各种力均等效成为一个荷载进行计算，而并未考虑由于力的作用位置不同而产生的差异，因此不能反映封底混凝土的实际受力情况，故精细化分析势在必行。3、建立基本模型3.1结构分析模型首先将承台桩基、封底混凝土等构件通过CAD导入模型，通过软件的线、面、体扩展功能建立几何模型，并通过布尔运算将建立好的几何模型相加成一个整体模型，然后通过FEA自动划分网格功能，将这个整体模型划分为个四面体单元和91464个节点。桩基取12m长度进行模拟。模型网格划分后如图2：整体模型图示3.2边界条件边界条件则是将桩底固结。3.3荷载自重：封底混凝土、桩基以及吊箱按实际取值；第一层承台混凝土湿重：25KN/m2；封底混凝土所受浮力：低水位-1.5m时封底混凝土所受4m水头浮力；4、模型分析与验算4.1分析思路本承台共有桩基34根，由于结构属于对称结构，故取1/4模型桩基进行分析，分别计算单根桩底反力，粘结力值值通过桩底反力与10m桩基自重反算得到，再利用所求的粘结力与经验取值进行比较，若计算值大于的经验取值15KN/m2，则对钢护筒进行加强处理。由于篇幅关系，仅取以下四种比较典型的桩基验算：桩基编号位置成桩直径(m)1中间加桩2.52加桩临近桩2.83承台中部桩基2.84最边缘拐角处桩基2.84.2反力计算在模型中加载自重、混凝土压力以及浮力后进行计算，可得桩底反力如下图3： 桩基反力各桩基底部被划分为29个节点，通过提取后可得桩底总反力，以1号桩基为例，其反力如表2（表格中XYZ为节点在模型中三维坐标值）：1号桩基反力（中间加桩）序号节点XYZ反力（KN）18237-2.651.25-12101.955 28238-3.128351.-12166.131 38239-3.533880.-12155.781 48240-3.804850.-12102.141 58241-3.90-1295.384 68362-3.80485-0.47835-12158.024 78363-3.53388-0.88388-12138.396 88364-3.12835-1.15485-12104.207 98365-2.65-1.25-12167.881 108462-2.17165-1.15485-1295.927 118463-1.76612-0.88388-1288.790 128464-1.49515-0.47835-12145.968 138465-1.40-12129.819 148565-1.495150.-1297.425 158566-1.766120.-12165.101 168567-2.171651.-12105.050 178650-2.60661-0.2379-12189.577 188651-2.861110.-12203.939 198652-2.2317-0.06737-12133.077 208653-2.99736-0.20131-12158.110 218654-2.50530.-12327.818 228655-1.958040.-12251.227 238656-1.86184-0.15677-12147.867 248657-2.20355-0.66817-12331.997 258658-2.92069-0.70538-12268.892 268659-3.31817-0.44646-12159.760 278660-3.438160.-12315.278 288661-3.085940.-12189.465 298662-2.437560.18932-12152.599 合计4847.585 4.3粘结力计算对桩底反力汇总，并反算后可得如下表4：主墩承台浇筑抗滑落粘结力加固验算序号位置成桩直径(m)桩基自重(KN)浇注2.5m承台反力(KN)浇注承台粘结力(KN)粘结力计算面积(m2)单位面积粘结力(KN/m2)允许的粘结力(KN)加固提供的粘结力(KN)是否需要加固1中间加桩2.51471.8848473375.1 15.715023551020.13是2加桩临近桩2.81846.3252673420.7 17.8981502684.7735.98是3承台中部桩基2.81846.3240762229.7 17.8981502684.7-455.02否4最边缘拐角处桩基2.81846.3241582311.7 17.8981502684.7-373.02否注意：以上结论表明，仅1、2号位置桩基需要采取加强措施，加强措施提供力值最大为102t。4.4主拉应力验算封底混凝土在最不利荷载作用下主拉应力结果如图4：封底混凝土最不利荷载下主拉应力4.5计算结果分析通过以上计算表明，承台施工时仅需要对中间4根桩基进行粘结力加强处理，且施工时封底混凝土主拉应力最大仅为0.55Mpa，小于混凝土容许值，满足施工要求。5、结论和建议群桩基础采用钢吊箱进行施工时，封底混凝土受力较为复杂，特别在潮位变化较大区域，低潮位时易出现封底混凝土抗滑落性能不满足要求，施工单位一般根据以往经验，对所有护筒进行粘结力加强处理；但大面积的加强处理，不仅浪费材料和工期，且对吊箱下放、封底施工干扰较大，不利于施工的顺利进行。目前，厦漳大桥南汉桥主承台混凝土已顺利浇注完毕。实践证明，本次粘结力加强处理完全能满足要求，仅加强用钢材就节省近10t，取得了一定的经济和社会效益。总之，在计算机发展的今天，精细分析将是结构计算的趋势，特别对于复杂结构，不应该进行大面积盲目加强处理，而应该进行精细受力分析，这样不仅有利于节省施工成本，更对施工技术的发展起到了积极作用。参考文献1、中交公路规划设计院 JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范 2004-10-012、交通部公路规划设计院 JTJ