UHPC 管樁-鋼立柱灌漿連接段結構設計與軸壓受力機理研究

鄭和暉 ，林樹奎 ，肖林 ，4

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014；2.交通運輸行業交通基礎設施智能建造技術研發中心，湖北 武漢 430014；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

灌漿連接段的可靠性是保障海上平臺安全運行的必要條件，國內外學者對灌漿連接段的受力機理開展了理論分析、試驗研究和有限元分析，為實際工程的設計提供了依據和參考[1-8]。挪威船級社規范DNV-OS-J101[9-10]融合了長期積累的研究成果和經驗，對單樁與導管架的灌漿連接段的設計與計算方法進行了詳細的描述。

由于預應力管樁與鋼管樁在結構形式上差異較大，現有的灌漿連接技術無法適用于UHPC 管樁與鋼立柱的連接，且目前關于預應力混凝土管樁與鋼立柱連接的研究和報道較少。本文首先參考DNV 規范開展了適用于UHPC 管樁與鋼立柱灌漿連接方案的設計，利用ABAQUS 對所提出的灌漿連接方案進行了數值模擬，驗證了所提出的連接構造的合理性；然后基于軸對稱平面模型對灌漿連接段在軸壓荷載下的荷載-位移曲線和破壞模式進行了研究，最后開展了軸壓承載力的參數敏感性分析，探明了灌漿連接段的各構造參數對軸向承載力的影響規律以及主要影響參數。

1 灌漿連接段設計及受力分析

1.1 灌漿連接段設計方案

參考海上風電基礎灌漿連接段的設計方法，提出兩類有剪力鍵灌漿連接段結構形式，分別為轉接環方案與混合剪力鍵方案。轉接環方案即在UHPC 管樁頂部增加轉接環構造，轉接環再與鋼立柱形成灌漿封閉空間，轉接環外側及鋼立柱內側焊接有扁鋼剪力鍵。混合剪力鍵方案是在轉接環方案的基礎上，從傳力途徑上進行了簡化，在UHPC 管樁頂部外側預制出環向UHPC 鍵齒，灌漿料填充于UHPC 鍵齒與鋼鍵齒之間。相比轉接環方案，混合剪力鍵方案傳力路徑更加簡明，僅需對管樁預制模板稍作改造即可制作含鍵齒的管樁，且灌漿連接段施工便捷，材料及加工成本較省，但關于混合剪力鍵結構的設計無現有技術可利用，無相關應用案例報道，技術成熟度較低。

1.2 基于DNV 規范的灌漿連接段設計

基于1 200 mm 外徑預應力UHPC 管樁開展灌漿連接段的設計及分析研究，具體規格如表1 所示。取計算彎矩900 kN·m，計算軸力2 150 kN。灌漿連接段厚度取70 mm，鋼立柱壁厚取26 mm。

表1 UHPC 管樁規格Table 1 The specification of UHPC pipe pile

經過試算，擬定的兩方案灌漿連接段構造尺寸如圖1 所示，其中鋼鍵齒高度均為12 mm，寬度均為28 mm。全部構造參數的取值均滿足DNV規范中提出的限定性要求；灌漿料抗剪應力計算值6.2 MPa，小于允許抗剪強度值7.3 MPa，灌漿料抗剪強度驗算滿足設計要求；單個剪力鍵環向單位長度所受荷載114.1 N/mm，小于剪力鍵承載力設計值649.7 N/mm，剪力鍵的抗剪強度驗算滿足設計要求；彎矩引起灌漿料徑向最大接觸壓應力為0.789 MPa，小于接觸壓應力允許值1.5 MPa，接觸壓應力驗算滿足設計要求；剪力鍵應力水平為0.132，應力循環次數為261 萬次，可滿足200萬次的疲勞壽命要求。

圖1 灌漿連接段構造尺寸（mm）Fig.1 Structure size of the grouting connection section(mm)

1.3 基于ABAQUS 的灌漿連接段受力性能分析

1.3.1 有限元模型

有限元模型中灌漿連接段的幾何尺寸與圖1中的保持一致，灌漿連接段以外鋼立柱的高度均取600 mm，UHPC 管樁的高度均取800 mm。考慮到模型尺寸及加載的對稱性，采用1/2 模型進行分析。管樁、鋼立柱、灌漿料均采用C3D8R 單元模擬。

鋼立柱及預應力筋的應力-應變曲線均采用雙折線模型，并采用等向強化法則和Mises 屈服準則模擬鋼材的塑性行為[6-7]。預應力筋采用等效降溫法模擬管樁的有效預應力。

灌漿料和管樁均采用U120 等級，利用混凝土塑性損傷模型模擬UHPC 材料的力學行為，塑性損傷模型參數如表2 所示。U120 的軸心受拉本構關系考慮了應變硬化的特性，其拉壓本構關系如圖2 所示。

表2 塑性損傷模型參數Table 2 Parameters of plastic damage model

圖2 U120 本構關系曲線Fig.2 Constitutive relation curve of U120

灌漿料與鋼管之間以及灌漿料與UHPC 管樁之間的相互作用采用接觸關系進行模擬。其中法線方向的接觸采用硬接觸，模擬兩者之間的相互擠壓，切線方向的接觸性質采用無黏結的庫倫摩擦模型定義[8]。

1.3.2 計算結果及分析

數值分析中，重點研究加載點豎向δV及水平位移δH，以及鋼立柱最大Mises 應力σM、灌漿料最大 Tresca 應力 σT、UHPC 管樁主拉應力 σmax和主壓應力σmin。有限元分析模型的計算結果如表3所示。

表3 有限元分析結果Table 3 Results of finite element analysis

對于鋼立柱，最大Mises 應力出現在最上方鋼鍵齒上方，約有135.1 MPa，低于鋼材屈服應力。灌漿料最大Tresa 應力出現在內側最下方鍵齒處，約有85.8 MPa，低于其抗壓強度值。UHPC管樁最大主拉應力發生在管樁頂部預應力筋錨固處，最大主拉應力6.8 MPa，由于模型里預應力筋錨固處未考慮墊板的應力擴散導致計算結果出現應力集中，僅查看灌漿連接段區域管樁應力。UHPC 管樁在灌漿連接段最大主拉及主壓應力均發生在最下方鍵齒附近，最大主拉應力為4.2 MPa，最大主壓應力為90.6 MPa，均低于相應的強度值。最上方的鋼鍵齒及最下方的混凝土鍵齒區域產生了應力集中，需關注其疲勞性能。

2 灌漿連接段軸壓受力機理研究

2.1 軸壓承載力計算及破壞模式

2.1.1 有限元模型

為分析混合剪力鍵方案灌漿連接段在軸壓荷載作用下的受力機理，采用ABAQUS 開展灌漿連接段的數值研究，探究其軸壓荷載下的荷載-位移曲線和破壞模式。由于灌漿連接段結構及軸壓荷載均具有軸對稱的特點，可采用軸對稱平面單元CAX4R 模擬。模型中界面接觸關系的模擬方法及灌漿連接段的尺寸、材料參數同前。

2.1.2 計算結果分析

提取參考點的反力及位移，繪制荷載-位移曲線，如圖3 所示。

圖3 軸壓全過程荷載-位移曲線Fig.3 Load vs.displacement curve in the whole process of axial compression

其軸壓全過程荷載-位移曲線近似可劃分為4個階段：

1） 準彈性階段（AB 段）

當軸壓變形較小時，灌漿料基本處于彈性階段。B 點對應的狀態為灌漿料最下方UHPC 鍵齒根部主拉應變處于屈服平臺，局部進入應變軟化區；最上方鋼鍵齒角點處局部灌漿料主拉應變超過比例極限。

2） UHPC 鍵齒剪切變形及局部破壞階段（BCD 段）

隨著軸壓變形的繼續增大，最下方UHPC 鍵齒主拉應變超過極限拉應變，剪切變形持續增大，灌漿連接段剛度逐漸下降，C 點對應的狀態為灌漿料中最下方UHPC 鍵齒被剪斷，發生局部破壞，荷載-位移曲線出現局部凹陷。

3） UHPC 管樁剪切變形階段（DE 段）

隨著軸壓變形的繼續增大，灌漿料塑性范圍逐漸變大，下方4 個UHPC 鍵齒出現了較大的豎向剪切應變，上方2 個UHPC 鍵齒出現了較大的斜向剪切應變。

4） 破壞階段（EFG 段）

E 點過后，灌漿連接段根部斜截面上UHPC的剪切變形逐漸增大，最終管樁發生壓剪破壞。

2.2 軸壓承載力參數研究

2.2.1 構造參數及取值范圍

灌漿連接段軸壓承載力參數敏感性分析選定的參數包括：UHPC 管樁外徑Dp、UHPC 管樁壁厚tp、灌漿連接段厚度tg、鋼鍵齒間距sjlj、鋼鍵齒高度hjlj、鋼鍵齒寬度wjlj、灌漿連接段高度Lg。其中，鋼管樁外徑Ds不作為直接影響因素，由于UHPC 鍵齒的高度受UHPC 管樁保護層厚度以及內部預應力筋和螺旋筋位置的影響可調整的范圍有限，故不作為參數分析的范圍。

參數分析模型計算圖示如圖4 所示，參數取值范圍如表4 所示，其中各參數的中間取值為基準模型的參數取值。為保證各參數分析模型的破壞模式均為灌漿料的破壞，模型中不考慮鋼立柱及UHPC 管樁材料的塑性發展。

圖4 參數分析模型計算圖示Fig.4 Calculation diagram of parameter analysis model

表4 參數取值范圍Table 4 Parameter value range mm

2.2.2 參數敏感性計算結果

各參數分析模型的軸壓承載力計算結果如圖5 所示。

圖5 軸壓承載力與各構造參數的關系曲線Fig.5 Relation curve between axial compression bearing capacity and structural parameters

為定量分析各構造參數的影響強弱，定義影響因子m，按下式計算：

式中：F1···Fn為各構造參數取值對應的軸壓承載力；Fjz為構造參數取基準值對應的軸壓承載力。

各構造參數對軸壓承載力的影響因子計算結果如表5 所示。

表5 影響因子計算結果匯總Table 5 Summary of impact factor calculation results

由以上計算結果可知：

1）灌漿連接段的構造參數中，對其軸壓承載力影響較大的是灌漿連接段高度Lg與灌漿連接段厚度tg，而剪力鍵高度hjlj和寬度wjlj的影響較小，提高灌漿連接段長度Lg、縮小灌漿連接段厚度tg、增大剪力鍵間距sjlj均有利于提高軸壓承載力；

2）盡管UHPC 管樁外徑Dp和壁厚tp不由灌漿連接段的設計參數決定，但仍對灌漿連接段的軸壓承載力有影響，隨著UHPC 管樁外徑Dp的增大，灌漿連接段的軸壓承載力提高顯著，壁厚tp的影響相對較弱。

3 結語

開展了UHPC 管樁-鋼立柱灌漿連接段的方案設計，基于ABAQUS 軟件對壓彎荷載作用下灌漿連接段的受力性能進行了有限元分析，并研究了混合剪力鍵方案灌漿連接段的軸壓受力機理，結果表明：

1）混合剪力鍵灌漿連接段在壓彎荷載聯合作用下，最上方的鋼鍵齒及最下方的混凝土鍵齒區域產生了應力集中，各部件應力均低于強度允許值，結構受力基本合理。

2）混合剪力鍵灌漿連接段軸壓全過程荷載-位移曲線近似可劃分為4 個階段，即準彈性階段、UHPC 鍵齒剪切變形及局部破壞階段、UHPC 管樁剪切變形階段、破壞階段，最終的破壞模式為灌漿連接段根部的UHPC 管樁發生壓剪破壞。

3）對灌漿連接段軸壓承載力影響較大的主要構造參數是灌漿連接段長度、灌漿連接段厚度與剪力鍵間距，而剪力鍵高度和寬度的影響較小，增大灌漿連接段長度、縮小灌漿連接段厚度、提高剪力鍵間距均有利于提高軸壓承載力。