UHPC 管樁-鋼立柱灌漿連接段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸壓受力機(jī)理研究

鄭和暉 ，林樹(shù)奎 ，肖林 ，4

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014；2.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430014；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)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(tái)安全運(yùn)行的必要條件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灌漿連接段的受力機(jī)理開(kāi)展了理論分析、試驗(yàn)研究和有限元分析，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考[1-8]。挪威船級(jí)社規(guī)范DNV-OS-J101[9-10]融合了長(zhǎng)期積累的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單樁與導(dǎo)管架的灌漿連接段的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

由于預(yù)應(yīng)力管樁與鋼管樁在結(jié)構(gòu)形式上差異較大，現(xiàn)有的灌漿連接技術(shù)無(wú)法適用于UHPC 管樁與鋼立柱的連接，且目前關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼立柱連接的研究和報(bào)道較少。本文首先參考DNV 規(guī)范開(kāi)展了適用于UHPC 管樁與鋼立柱灌漿連接方案的設(shè)計(jì)，利用ABAQUS 對(duì)所提出的灌漿連接方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了所提出的連接構(gòu)造的合理性；然后基于軸對(duì)稱平面模型對(duì)灌漿連接段在軸壓荷載下的荷載-位移曲線和破壞模式進(jìn)行了研究，最后開(kāi)展了軸壓承載力的參數(shù)敏感性分析，探明了灌漿連接段的各構(gòu)造參數(shù)對(duì)軸向承載力的影響規(guī)律以及主要影響參數(shù)。

1 灌漿連接段設(shè)計(jì)及受力分析

1.1 灌漿連接段設(shè)計(jì)方案

參考海上風(fēng)電基礎(chǔ)灌漿連接段的設(shè)計(jì)方法，提出兩類有剪力鍵灌漿連接段結(jié)構(gòu)形式，分別為轉(zhuǎn)接環(huán)方案與混合剪力鍵方案。轉(zhuǎn)接環(huán)方案即在UHPC 管樁頂部增加轉(zhuǎn)接環(huán)構(gòu)造，轉(zhuǎn)接環(huán)再與鋼立柱形成灌漿封閉空間，轉(zhuǎn)接環(huán)外側(cè)及鋼立柱內(nèi)側(cè)焊接有扁鋼剪力鍵。混合剪力鍵方案是在轉(zhuǎn)接環(huán)方案的基礎(chǔ)上，從傳力途徑上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在UHPC 管樁頂部外側(cè)預(yù)制出環(huán)向UHPC 鍵齒，灌漿料填充于UHPC 鍵齒與鋼鍵齒之間。相比轉(zhuǎn)接環(huán)方案，混合剪力鍵方案?jìng)髁β窂礁雍?jiǎn)明，僅需對(duì)管樁預(yù)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(guān)于混合剪力鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無(wú)現(xiàn)有技術(shù)可利用，無(wú)相關(guān)應(yīng)用案例報(bào)道，技術(shù)成熟度較低。

1.2 基于DNV 規(guī)范的灌漿連接段設(shè)計(jì)

基于1 200 mm 外徑預(yù)應(yīng)力UHPC 管樁開(kāi)展灌漿連接段的設(shè)計(jì)及分析研究，具體規(guī)格如表1 所示。取計(jì)算彎矩900 kN·m，計(jì)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(guī)格Table 1 The specification of UHPC pipe pile

經(jīng)過(guò)試算，擬定的兩方案灌漿連接段構(gòu)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(gòu)造參數(shù)的取值均滿足DNV規(guī)范中提出的限定性要求；灌漿料抗剪應(yīng)力計(jì)算值6.2 MPa，小于允許抗剪強(qiáng)度值7.3 MPa，灌漿料抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求；單個(gè)剪力鍵環(huán)向單位長(zhǎng)度所受荷載114.1 N/mm，小于剪力鍵承載力設(shè)計(jì)值649.7 N/mm，剪力鍵的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求；彎矩引起灌漿料徑向最大接觸壓應(yīng)力為0.789 MPa，小于接觸壓應(yīng)力允許值1.5 MPa，接觸壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求；剪力鍵應(yīng)力水平為0.132，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為261 萬(wàn)次，可滿足200萬(wàn)次的疲勞壽命要求。

圖1 灌漿連接段構(gòu)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(duì)稱性，采用1/2 模型進(jìn)行分析。管樁、鋼立柱、灌漿料均采用C3D8R 單元模擬。

鋼立柱及預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均采用雙折線模型，并采用等向強(qiáng)化法則和Mises 屈服準(zhǔn)則模擬鋼材的塑性行為[6-7]。預(yù)應(yīng)力筋采用等效降溫法模擬管樁的有效預(yù)應(yīng)力。

灌漿料和管樁均采用U120 等級(jí)，利用混凝土塑性損傷模型模擬UHPC 材料的力學(xué)行為，塑性損傷模型參數(shù)如表2 所示。U120 的軸心受拉本構(gòu)關(guān)系考慮了應(yīng)變硬化的特性，其拉壓本構(gòu)關(guān)系如圖2 所示。

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

圖2 U120 本構(gòu)關(guān)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(guān)系進(jìn)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(zhì)采用無(wú)黏結(jié)的庫(kù)倫摩擦模型定義[8]。

1.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值分析中，重點(diǎn)研究加載點(diǎn)豎向δV及水平位移δH，以及鋼立柱最大Mises 應(yīng)力σM、灌漿料最大 Tresca 應(yīng)力 σT、UHPC 管樁主拉應(yīng)力 σmax和主壓應(yīng)力σmin。有限元分析模型的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 有限元分析結(jié)果Table 3 Results of finite element analysis

對(duì)于鋼立柱，最大Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在最上方鋼鍵齒上方，約有135.1 MPa，低于鋼材屈服應(yīng)力。灌漿料最大Tresa 應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)最下方鍵齒處，約有85.8 MPa，低于其抗壓強(qiáng)度值。UHPC管樁最大主拉應(yīng)力發(fā)生在管樁頂部預(yù)應(yīng)力筋錨固處，最大主拉應(yīng)力6.8 MPa，由于模型里預(yù)應(yīng)力筋錨固處未考慮墊板的應(yīng)力擴(kuò)散導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)應(yīng)力集中，僅查看灌漿連接段區(qū)域管樁應(yīng)力。UHPC 管樁在灌漿連接段最大主拉及主壓應(yīng)力均發(fā)生在最下方鍵齒附近，最大主拉應(yīng)力為4.2 MPa，最大主壓應(yīng)力為90.6 MPa，均低于相應(yīng)的強(qiáng)度值。最上方的鋼鍵齒及最下方的混凝土鍵齒區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，需關(guān)注其疲勞性能。

2 灌漿連接段軸壓受力機(jī)理研究

2.1 軸壓承載力計(jì)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(jī)理，采用ABAQUS 開(kāi)展灌漿連接段的數(shù)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(jié)構(gòu)及軸壓荷載均具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，可采用軸對(duì)稱平面單元CAX4R 模擬。模型中界面接觸關(guān)系的模擬方法及灌漿連接段的尺寸、材料參數(shù)同前。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

提取參考點(diǎn)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(guò)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(guò)程荷載-位移曲線近似可劃分為4個(gè)階段：

1） 準(zhǔn)彈性階段（AB 段）

當(dāng)軸壓變形較小時(shí)，灌漿料基本處于彈性階段。B 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為灌漿料最下方UHPC 鍵齒根部主拉應(yīng)變處于屈服平臺(tái)，局部進(jìn)入應(yīng)變軟化區(qū)；最上方鋼鍵齒角點(diǎn)處局部灌漿料主拉應(yīng)變超過(guò)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(xù)增大，最下方UHPC 鍵齒主拉應(yīng)變超過(guò)極限拉應(yīng)變，剪切變形持續(xù)增大，灌漿連接段剛度逐漸下降，C 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為灌漿料中最下方UHPC 鍵齒被剪斷，發(fā)生局部破壞，荷載-位移曲線出現(xiàn)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(xù)增大，灌漿料塑性范圍逐漸變大，下方4 個(gè)UHPC 鍵齒出現(xiàn)了較大的豎向剪切應(yīng)變，上方2 個(gè)UHPC 鍵齒出現(xiàn)了較大的斜向剪切應(yīng)變。

4） 破壞階段（EFG 段）

E 點(diǎn)過(guò)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(fā)生壓剪破壞。

2.2 軸壓承載力參數(shù)研究

2.2.1 構(gòu)造參數(shù)及取值范圍

灌漿連接段軸壓承載力參數(shù)敏感性分析選定的參數(shù)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(hù)層厚度以及內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋和螺旋筋位置的影響可調(diào)整的范圍有限，故不作為參數(shù)分析的范圍。

參數(shù)分析模型計(jì)算圖示如圖4 所示，參數(shù)取值范圍如表4 所示，其中各參數(shù)的中間取值為基準(zhǔn)模型的參數(shù)取值。為保證各參數(shù)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(fā)展。

圖4 參數(shù)分析模型計(jì)算圖示Fig.4 Calculation diagram of parameter analysis model

表4 參數(shù)取值范圍Table 4 Parameter value range mm

2.2.2 參數(shù)敏感性計(jì)算結(jié)果

各參數(shù)分析模型的軸壓承載力計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 軸壓承載力與各構(gòu)造參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between axial compression bearing capacity and structural parameters

為定量分析各構(gòu)造參數(shù)的影響強(qiáng)弱，定義影響因子m，按下式計(jì)算：

式中：F1···Fn為各構(gòu)造參數(shù)取值對(duì)應(yīng)的軸壓承載力；Fjz為構(gòu)造參數(shù)取基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的軸壓承載力。

各構(gòu)造參數(shù)對(duì)軸壓承載力的影響因子計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 影響因子計(jì)算結(jié)果匯總Table 5 Summary of impact factor calculation results

由以上計(jì)算結(jié)果可知：

1）灌漿連接段的構(gòu)造參數(shù)中，對(duì)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(zhǎng)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(shè)計(jì)參數(shù)決定，但仍對(duì)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(duì)較弱。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展了UHPC 管樁-鋼立柱灌漿連接段的方案設(shè)計(jì)，基于ABAQUS 軟件對(duì)壓彎荷載作用下灌漿連接段的受力性能進(jìn)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(jī)理，結(jié)果表明：

1）混合剪力鍵灌漿連接段在壓彎荷載聯(lián)合作用下，最上方的鋼鍵齒及最下方的混凝土鍵齒區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，各部件應(yīng)力均低于強(qiáng)度允許值，結(jié)構(gòu)受力基本合理。

2）混合剪力鍵灌漿連接段軸壓全過(guò)程荷載-位移曲線近似可劃分為4 個(gè)階段，即準(zhǔn)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(fā)生壓剪破壞。

3）對(duì)灌漿連接段軸壓承載力影響較大的主要構(gòu)造參數(shù)是灌漿連接段長(zhǎng)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(zhǎng)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。