結構在后澆混凝土澆筑后的內力及沉降研究

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)大學土木建筑學院，河南 鄭州 450001)

1 工程概述

本文對本樁基托換工程的原有結構以及托換結構在主動托換過程中的受力以及沉降位移進行了理論和數(shù)值分析，在千斤頂主動荷載下托換結構和原有結構都會受到不同程度的影響，結構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有限元軟件對工程中托換大梁以及托換樁進行數(shù)值模擬，對澆筑后的結構進行建模，模擬工程結束后的狀態(tài)，再對比本文第四章中千斤頂對原有結構及托換結構影響結果，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，托換結構幾何模型見圖2。托換梁和托換樁結構采用C40混凝土其軸心抗壓強度設計值為19.1 N/mm2，拉壓彈性模量為32 500 N/mm2，泊松比為0.2。

對模型中土體四周側面施加垂直該面的約束，將模型底部完全固定，見圖3。對橋臺上表面施加192 263 Pa的壓強，上部結構的自重；模型包括托換梁、托換樁和土體，為了緩解模型計算壓力，在劃分網(wǎng)格時對模型進行切割，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 結構內力及沉降影響分析

3.1 橋臺內力及沉降分析

整個樁基托換過程結束后，最終要保證橋臺的穩(wěn)定，從而保證整個上部高架橋的正常使用，本節(jié)提取本模型計算結果，以橋臺為對象分析其最終的受力以及沉降。橋臺Mises應力云圖如圖5所示。

為方便觀察，對上表面邊緣各點進行編號1～16，沉降云圖及編號情況如圖6所示。在ABAQUS后處理中提取各點的豎向位移，對各個點的位移進行比較，如圖7所示。

從圖7中可以看出，各編號點沉降位移值分布在1.2 mm左右，橋臺長度方向靠近1號、2號樁的位置位移偏小，遠離1號、2號樁位置位移較大。相差很小，其中最大及最小沉降量出現(xiàn)在編號2和編號9，沉降值為1.34 mm和1.22 mm，兩者相差約0.12 mm,對結構不造成影響。

3.2 托換大梁內力及沉降分析

工程中托換大梁的作用至關重要，其支撐起整個上部結構，由于托換梁長度達18.4 m，并且橋臺位于托換梁中部靠近1號、2號樁位置，故上部結構對其影響不是對稱分布的，本小節(jié)在ABAQUS后處理中提取Mises應力云圖和豎向位移云圖并對其進行分析，觀察結構在上部荷載作用下受到的影響，對其影響較大的位置在工程中作為重點加強監(jiān)控。托換梁Mises應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，托換大梁最大應力位置出現(xiàn)在與1號樁連接處位置，Mises應力值為1.054 MPa，其次為與2號樁連接處位置，與3號、4號樁連接處位置的應力也大于其周圍。

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、4號樁區(qū)域的豎向位移大于靠近1號、3號樁區(qū)域，為了更進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，對影響較大且具有代表性的靠近2號、4號樁的上表面長邊各個節(jié)點進行編號，分別提取其豎向位移值，對其各個編號點的豎向位移值進行比較。托換梁豎向位移云圖及編號點位置見圖10，各編號點位移比較見圖11。

由圖11可以看出最小位移出現(xiàn)在編號1處，其處于與4號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7處，其位于托換梁與橋臺的連接處的與2號、4號樁靠近的長邊上，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，整個托換梁的最大撓度小于1 mm，故在允許范圍內，不影響結構的使用。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，與橋臺連接處位置的變形大于兩端，寬度方向上，靠近2號、4號樁區(qū)域的變形大于其余位置。所以在工程施工中對于托換梁的變形應進行實時監(jiān)控，尤其是邊緣位置以及各結構連接處位置。

3.3 托換樁內力及沉降分析

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，由于托換梁與橋臺連接處位于托換梁中間靠近1號、2號樁位置，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，故在工程中應對樁頂和樁與托換梁連接處的施工應加強監(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束后，托換樁的受力區(qū)域穩(wěn)定，1號～4號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號樁、1號樁、4號樁、3號樁，這與各托換樁與橋臺的位置距離有直接關系，距離越近，托換樁受到的軸力越大，反之越小。

4 結語

本文利用ABAQUS軟件模擬樁基托換工程在既有橋臺與托換大梁之間混凝土澆筑后整個結構的影響，并得出以下結論：

1)應力的分布在橋臺底部差異較大，因此在工程中托換節(jié)點的施工以及后澆混凝土時應加強監(jiān)督和檢測，以免出現(xiàn)不必要的裂縫。2)并且由于本數(shù)值模擬模型是對工程結束狀態(tài)的直接建模，沒有考慮到工程中預防其不均勻沉降的實際情況，故對橋臺的沉降問題進行分析，其不影響結構正常使用，安全可靠。3)從總體結構看，托換大梁長度方向的兩端和與橋臺連接處的中間Mises應力較小，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，故在工程中對其的施工監(jiān)控應當加強保證。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了絕大部分載荷，該樁表現(xiàn)出較明顯的摩擦樁的特性。