結(jié)構(gòu)在后澆混凝土澆筑后的內(nèi)力及沉降研究

何 況 武坤朋 胡秀旗 張 健 徐志軍

(1.鄭州市軌道交通有限公司,河南 鄭州 450000; 2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 工程概述

本文對(duì)本樁基托換工程的原有結(jié)構(gòu)以及托換結(jié)構(gòu)在主動(dòng)托換過程中的受力以及沉降位移進(jìn)行了理論和數(shù)值分析，在千斤頂主動(dòng)荷載下托換結(jié)構(gòu)和原有結(jié)構(gòu)都會(huì)受到不同程度的影響，結(jié)構(gòu)不同位置的受力和沉降位移各有不同，靠近千斤頂?shù)奈恢糜绊戄^大，反之較小[1- 4]。本文利用ABAQUS有限元軟件對(duì)工程中托換大梁以及托換樁進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)澆筑后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模擬工程結(jié)束后的狀態(tài)，再對(duì)比本文第四章中千斤頂對(duì)原有結(jié)構(gòu)及托換結(jié)構(gòu)影響結(jié)果，分析托換前后的沉降位移變化。

2 有限元模型

模型地層部分的尺寸長50 m(X方向)、寬50 m(Y方向)、高100 m(Z方向)，三維幾何有限元模型見圖1，托換結(jié)構(gòu)幾何模型見圖2。托換梁和托換樁結(jié)構(gòu)采用C40混凝土其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 N/mm2，拉壓彈性模量為32 500 N/mm2，泊松比為0.2。

對(duì)模型中土體四周側(cè)面施加垂直該面的約束，將模型底部完全固定，見圖3。對(duì)橋臺(tái)上表面施加192 263 Pa的壓強(qiáng)，上部結(jié)構(gòu)的自重；模型包括托換梁、托換樁和土體，為了緩解模型計(jì)算壓力，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)模型進(jìn)行切割，所有部件均采用線性六面體C3D8R劃分，劃分單元數(shù)為14 868，劃分網(wǎng)格如圖4所示。

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及沉降影響分析

3.1 橋臺(tái)內(nèi)力及沉降分析

整個(gè)樁基托換過程結(jié)束后，最終要保證橋臺(tái)的穩(wěn)定，從而保證整個(gè)上部高架橋的正常使用，本節(jié)提取本模型計(jì)算結(jié)果，以橋臺(tái)為對(duì)象分析其最終的受力以及沉降。橋臺(tái)Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

為方便觀察，對(duì)上表面邊緣各點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)1～16，沉降云圖及編號(hào)情況如圖6所示。在ABAQUS后處理中提取各點(diǎn)的豎向位移，對(duì)各個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行比較，如圖7所示。

從圖7中可以看出，各編號(hào)點(diǎn)沉降位移值分布在1.2 mm左右，橋臺(tái)長度方向靠近1號(hào)、2號(hào)樁的位置位移偏小，遠(yuǎn)離1號(hào)、2號(hào)樁位置位移較大。相差很小，其中最大及最小沉降量出現(xiàn)在編號(hào)2和編號(hào)9，沉降值為1.34 mm和1.22 mm，兩者相差約0.12 mm,對(duì)結(jié)構(gòu)不造成影響。

3.2 托換大梁內(nèi)力及沉降分析

工程中托換大梁的作用至關(guān)重要，其支撐起整個(gè)上部結(jié)構(gòu)，由于托換梁長度達(dá)18.4 m，并且橋臺(tái)位于托換梁中部靠近1號(hào)、2號(hào)樁位置，故上部結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不是對(duì)稱分布的，本小節(jié)在ABAQUS后處理中提取Mises應(yīng)力云圖和豎向位移云圖并對(duì)其進(jìn)行分析，觀察結(jié)構(gòu)在上部荷載作用下受到的影響，對(duì)其影響較大的位置在工程中作為重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)控。托換梁Mises應(yīng)力云圖和豎向位移云圖如圖8，圖9所示。

由圖8，圖9可以看出，托換大梁最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在與1號(hào)樁連接處位置，Mises應(yīng)力值為1.054 MPa，其次為與2號(hào)樁連接處位置，與3號(hào)、4號(hào)樁連接處位置的應(yīng)力也大于其周圍。

提取托換梁U3方向的位移云圖，圖中顯示托換梁長度方向中間位置的豎向位移大于兩端，寬度方向靠近2號(hào)、4號(hào)樁區(qū)域的豎向位移大于靠近1號(hào)、3號(hào)樁區(qū)域，為了更進(jìn)一步分析上部荷載作用所造成的托換梁不同位置的沉降規(guī)律，對(duì)影響較大且具有代表性的靠近2號(hào)、4號(hào)樁的上表面長邊各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，分別提取其豎向位移值，對(duì)其各個(gè)編號(hào)點(diǎn)的豎向位移值進(jìn)行比較。托換梁豎向位移云圖及編號(hào)點(diǎn)位置見圖10，各編號(hào)點(diǎn)位移比較見圖11。

由圖11可以看出最小位移出現(xiàn)在編號(hào)1處，其處于與4號(hào)樁連接處的邊角位置，沉降值為0.632 mm，最大豎向位移出現(xiàn)在編號(hào)7處，其位于托換梁與橋臺(tái)的連接處的與2號(hào)、4號(hào)樁靠近的長邊上，位移值為1.363 mm。最大豎向位移值與最小豎向位移值相差約0.731 mm，整個(gè)托換梁的最大撓度小于1 mm，故在允許范圍內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)的使用。由豎向位移云圖也可看出托換梁的變性規(guī)律，在長度方向上，與橋臺(tái)連接處位置的變形大于兩端，寬度方向上，靠近2號(hào)、4號(hào)樁區(qū)域的變形大于其余位置。所以在工程施工中對(duì)于托換梁的變形應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是邊緣位置以及各結(jié)構(gòu)連接處位置。

3.3 托換樁內(nèi)力及沉降分析

在ABAQUS后處理中提取托換樁變形狀態(tài)下的Mises應(yīng)力云圖，如圖12所示，為方便觀察，將變形夸張放大。

從圖12可以看出，由于托換梁與橋臺(tái)連接處位于托換梁中間靠近1號(hào)、2號(hào)樁位置，所以傳遞下來的荷載影響在托換樁上表現(xiàn)出圖中的變形，影響較大的位置為樁頂以及其下部3 m～6 m位置，故在工程中應(yīng)對(duì)樁頂和樁與托換梁連接處的施工應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。提取各樁截面的軸力，具體數(shù)據(jù)見表1。圖13為不同載荷下模擬計(jì)算值的比較。

表1 各樁在不同深度的軸力kN

由圖13可以看出，在本樁基托換工程結(jié)束后，托換樁的受力區(qū)域穩(wěn)定，1號(hào)～4號(hào)樁的樁身軸力隨深度的增加不斷減小，直至樁底趨于0，符合摩擦樁的特性。這4根托換樁由于橋臺(tái)位置不在托換梁的正中央而受力有所不同，在圖13中可以看出，4根托換樁在不同深度的軸力及變化規(guī)律基本相同，有略微的差別，軸力從大到小依次為2號(hào)樁、1號(hào)樁、4號(hào)樁、3號(hào)樁，這與各托換樁與橋臺(tái)的位置距離有直接關(guān)系，距離越近，托換樁受到的軸力越大，反之越小。

4 結(jié)語

本文利用ABAQUS軟件模擬樁基托換工程在既有橋臺(tái)與托換大梁之間混凝土澆筑后整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，并得出以下結(jié)論：

1)應(yīng)力的分布在橋臺(tái)底部差異較大，因此在工程中托換節(jié)點(diǎn)的施工以及后澆混凝土?xí)r應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督和檢測，以免出現(xiàn)不必要的裂縫。2)并且由于本數(shù)值模擬模型是對(duì)工程結(jié)束狀態(tài)的直接建模，沒有考慮到工程中預(yù)防其不均勻沉降的實(shí)際情況，故對(duì)橋臺(tái)的沉降問題進(jìn)行分析，其不影響結(jié)構(gòu)正常使用，安全可靠。3)從總體結(jié)構(gòu)看，托換大梁長度方向的兩端和與橋臺(tái)連接處的中間Mises應(yīng)力較小，其余位置較其偏大。從力的角度看托換梁與樁連接處較為重要，故在工程中對(duì)其的施工監(jiān)控應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)保證。4)托換樁軸力隨深度增加逐漸減小，在樁端處均約為0，說明樁的中上部分承擔(dān)了絕大部分載荷，該樁表現(xiàn)出較明顯的摩擦樁的特性。