鋼吊箱封底施工及數值模擬分析的探討

李賀才 （合肥工業大學，安徽 合肥 230022）

1 工程概況

大橋為雙塔雙索面半漂浮體系組合梁斜拉橋，主塔墩位于長江深水區，基礎為32根3m直徑的鉆孔灌注樁，樁長42m，按端承樁設計。承臺為切除四角的矩形，平面尺寸為47m×25m，厚8m。承臺底標高-1.0m，頂標高+7.0m，下設2.6m厚封底混凝土。吊箱內輪廓尺寸為47.03m×25.03m，外輪廓尺寸為50.03m×28.03m，壁體厚度1.5m，壁體總高度20.1m。

2 封底混凝土施工控制措施

2.1 封底混凝土密封構造措施

鋼吊箱作為承臺施工擋水結構物，其關鍵功能之一就是封底施工完畢后，抽出吊箱內積水，為承臺提供干施環境，保證承臺施工期間不發生滲水。本項目主要控制措施如下。

2.1.1 鋼吊箱內壁增設止水角鋼

為確保封底混凝土與鋼吊箱內壁緊密貼合，鋼吊箱設計時，在封底混凝土范圍內設置兩道止水角鋼，沿鋼吊箱內壁四周與壁體進行滿焊。角鋼布設方式為一邊與內壁焊接，另一邊朝上，有利于混凝土澆筑時排出水和氣泡。

2.1.2 鋼護筒增設剪力筋

封底混凝土范圍內，在鋼護筒周圍等間距設置直徑為25mm的螺旋筋，間距10cm，與鋼護筒間斷焊接，螺旋筋的設置增強了封底混凝土與鋼護筒之間的粘結力。

2.2 封底混凝土澆筑

封底混凝土澆筑采用中心集料斗、多導管、從中間向兩端逐步推進的封底施工工藝，一次封底成型。

為防止漏漿，保證混凝土澆筑質量，封底混凝土澆筑前，安排潛水員水下檢查鋼吊箱底板與護筒間的封閉措施，并對鋼吊箱底板、內壁及鋼護筒外壁進行清理和除銹處理。

3 封底混凝土數值模擬分析

3.1 封底混凝土與鋼護筒間粘結滑移分析

鋼管與混凝土之間的粘結力由三部分組成，即化學膠結力、機械咬合力、摩擦力。在鋼管與混凝土滑動之前，機械咬合力起著很大的作用，發生滑動后，界面剪切力主要取決于摩擦力，當鋼管銹蝕嚴重，表面有深度凹痕時，機械咬合力很大，當相對滑移較大時，機械咬合力發生破壞，界面粘結力將由鋼管與混凝土之間的摩擦力和殘余的機械咬合力負擔[1]。若界面抗剪粘結力應力沿鋼管混凝土界面均勻分布，在推出試驗中鋼管縱向應變沿長度方向基本呈三角形分布，可認為界面抗剪粘結力沿鋼-混凝土界面均勻分布是合理的，粘結應力沿鋼管在一定范圍內呈三角形分布[2]。文獻[3]使用有限元分析程序對鋼管-混凝土界面的粘結應力分布的分析結果，當界面沒有滑移時，粘結應力呈指數分布。粘結應力在加載端設置最大，到約d/2處為0，分析表明，粘結應力的需求集中于一定的局部區域，而且如果界面的滑移被阻止，鋼管與混凝土間不平衡力必然在一個較短的長度內重新分配完畢。

以上分析，國內外學者已做大量試驗研究粘結強度，但尚無統一標準。而鋼護筒與混凝土間的粘結滑移相關試驗研究較少，可參考的成果有限。本文參考文獻[4]中所采用的試驗模型，借鑒文獻[5]給出的粘結滑移本構關系，通過調整相關參數，建立有限元數值模型，分析鋼護筒與混凝土之間的相互作用。

以往試驗研究表明，鋼管混凝土荷載-滑移曲線大多出現峰值荷載點及隨后的下降段，當粘結應力小于粘結強度時，粘結應力與滑移呈線性關系，當粘結應力大于粘結強度后，滑移大幅度發展，曲線迅速下滑，由于缺少下降段曲線的試驗數據，所以在粘結滑移本構模型中以兩段折現近似模擬，如圖1所示[5]。

圖1 粘結應力-滑移本構模型示意圖

從文獻[4]試驗數據可知，第一層位移桿發生明顯變化時，荷載為791.3kN，接觸面積為0.646m2，第三層位移桿發生明顯變化時，荷載為972.14kN，接觸面積為1.54m2。文獻[1、2]表明，界面沒有滑移時，粘結應力的需求集中于一定的局部區域，并在一定范圍內呈三角形分布。本文選用大型有限元軟件ansys，建立模型進行數值模擬分析。由于文獻[4]試驗模型為軸對稱結構，所以鋼護筒與混凝土均采用plane42軸對稱平面單元，鋼護筒混凝土之間的粘結滑移采用非線性彈簧單元combination39進行模擬。該單元具有很大的功能，通過定義F-D曲線，可以實現復雜的荷載-位移非線性關系。經過合理的建模，并對模型進行加載求解，得到混凝土滑移隨加載量變化的關系曲線，如圖2所示，極限狀態粘結力約為1000kN，水平殘余狀態粘結力約為320kN，數值模擬與試驗結果吻合較好，這表明，鋼護筒與混凝土間的粘結滑移力學性能分析采用此計算模型是合理的。

3.2 剪力筋對封底混凝土的作用

由于鋼護筒周邊鋼筋（以下簡稱剪力筋）嵌固于混凝土中，可認為兩者協同變形，ansys軟件通過耦合節點來實現。經過計算，隨荷載的變化，混凝土滑移量基本呈線性關系，且同樣滑移量的情況下，設置剪力筋的荷載要遠遠大于無剪力筋的荷載。這說明，剪力筋的作用大大提高了鋼護筒混凝土界面的抗剪能力，分擔了大部分剪切力。但是，當荷載增加到一定程度，此時剪力筋對混凝土的擠壓，會造成混凝土的局部損壞。

4 結論

①鋼吊箱圍堰封底混凝土施工，為取得良好效果，在鋼吊箱設計階段，可以采用鋼吊箱內壁增設封閉角鋼，以及鋼護筒增設剪力筋的形式來實現封閉止水和增強連接強度的作用。

圖2 鋼護筒混凝土荷載-滑移變化曲線

②通過非線性彈簧單元combination39進行模擬鋼護筒混凝土界面粘結滑移性能較合理，在取得試驗數據的基礎上，可以調整相關參數，達到數值分析的目的。

③封底混凝土范圍內增設剪力筋能夠大大提高粘結強度，剪力筋布置間距及根數需要進行合理設計，盡量控制混凝土與鋼護筒產生分離。