基于全橋有限元模型的樁基缺陷影響分析

秦小平,全恩懋

摘 要：目前橋梁樁基的計算分析方法大多是沿用設計理論的基于簡化模型的公式計算方法，該方法計算結果具有足夠的安全系數，對樁基設計是適用的，但對于在役橋梁樁基的分析則不夠精確。針對發現施工缺陷的在役橋梁樁基，提出了一種與橋梁實際狀態更貼近的有限元計算方法。該方法首先通過橋梁檢測和地質勘察獲得橋梁計算相關參數，再建立有限元模型，通過在全橋有限元模型上施加各種荷載，計算分析得到樁基承載力及使用性能結果。

關鍵詞：橋梁樁基;有限元計算;樁基承載力

橋梁樁基屬于地下結構與巖體、土體間通過摩擦、擠壓等傳遞橋梁上部荷載，由于巖土受力性質具有嚴重的非線性，樁周土、石的受力通常較為復雜。國內外樁身內力、位移的計算理論已有不少，我國土木領域普遍采用基于文克爾假定的彈性地基梁法，即將樁視為彈性地基上的梁進行樁基設計計算。在公路橋梁中，樁基設計采用“m-法”[1]。為簡化工作內容，提高工作效率，目前設計計算中上下部結構、樁基礎通常分開計算，即先算出墩頂內力再進行樁基計算，該計算思路忽略了土體對橋墩剛度的影響，對水平作用如制動力、溫度力、風力等荷載的實際內力效果無法精確模擬。此外，樁基計算通過半解析公式進行，按條件劃分成剛性樁和彈性樁，采用不同的計算方法，而實際工程中“彈性”和“剛性”無法簡單的劃分。因此，本文提出采用建立全橋有限元的方法，將上下部結構、樁基礎、樁周巖土同時計算，并結合工程實例進行分析。

1 橋梁狀況檢測分析

1.1 工程概況

某高速公路特大橋引橋為12×30 m先簡支后連續預應力砼T梁，共分為三聯，第1聯為4×30 m構造，第2聯為5×30 m構造、第3聯為3×30 m構造，橫向采用5片T梁。根據樁基鋼筋檢測結果資料，現場抽查5-0#墩柱樁基鋼筋布置與設計不符，鋼筋數量原設計為38根，實測為19根。需評定樁基缺陷的影響。

1.2 橋梁檢測情況

（1）上部結構：對全橋引橋T梁進行了外觀檢查，未見明顯病害，各墩頂區域T梁梁端及現澆連續段未見裂縫等病害。對全橋引橋T梁支座進行了外觀檢查，板式橡膠支座未見嚴重的剪切、轉角變形及嚴重脫空、串動等現象，支座墊石狀況較好。

（2）下部結構：對全橋引橋共11個橋墩（梧州岸11個）進行了外觀檢查，共44個墩柱、22個蓋梁均未發現明顯病害;對墩柱尺寸進行抽查，合格率為100%。從橋墩檢查情況看，下部結構施工質量總體較好，橋墩部件技術狀況等級為1，對應的缺損狀況評定標度值為1。墩柱尺寸（周長）抽查結果表明墩柱施工尺寸與設計尺寸偏差為-2 cm～2 cm。抽取1個下部樁基進行重新開挖，對露出的樁基部分進行了外觀檢查，未見明顯病害。墩柱電位水平最低值為-78.71 mV，大于-200 mV，鋼筋銹蝕電位評定標度值為1。墩柱鋼筋保護層厚度特征值Dne為44.9 mm，設計值Dnd為40 mm，Dne/Dnd為1.12，大于0.95，鋼筋保護層厚度評定標度值為1。墩柱混凝土推斷強度勻質系數Kbt為1.60，平均強度勻質系數Kbm為1.82，混凝土推斷強度勻質系數Kbt大于0.95，平均強度勻質系數大于1.00，混凝土強度評定標度值為1。

（3）幾何測量：對引橋橋面線形進行了檢測，橋面高程曲線基本平滑，無突變點，墩頂位置測點未見異常。表明引橋基礎未見明顯豎向沉降。對引橋墩柱進行了垂直度檢測，引橋墩柱垂直度合格率為95.5%，經分析，存在的偏位超限可能為施工原因造成。引橋基礎未見明顯水平變位和轉角。

（4）橋位環境調查：梧州岸引橋兩側主要為民房建筑，第5跨上跨鄉村道路，右幅4#墩下建筑未拆除完全，橋下安全區均未見重載堆載現象，橋址周圍未見工廠等地下水污染源。從橋位環境判斷，引橋樁基未受侵蝕性環境水影響。

（5）地質勘察結果：根據橋梁施工圖設計文件、地質勘察報告，綜合土層厚度、樁長等因素，有代表性的選取5#墩進行地質勘察鉆孔。結果表明：5#墩處土層厚度實測2.5 m，施工圖為8.9 m，二者相差6.4 m。土樣、巖樣物理、力學性質與施工圖基本一致。橋梁地質狀況滿足設計要求。通過復核橋梁樁基檢測資料，樁基長度均滿足設計要求;樁基嵌巖情況未查閱到相關資料。

2 橋梁檢算參數計算

2.1 樁基土彈簧參數

結合橋梁施工圖紙、地質勘察報告及本次地質勘察數據，樁基地基土的比例系數m可取為20 000 kN/m4，巖石地基抗力系數C0可取為15 000 000 kN/m4，土層厚度仍偏安全的按照地質勘察報告進行確定，根據“基礎規范”計算樁基各位置的等代土彈簧剛度Ks。計算結果見表1。

2.2 典型活載作用

2.2.1 溫度荷載

根據設計文件說明部分相關規定，現澆墩頂部T梁間連續段溫度為15℃～20℃。參考《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015，以下簡稱“通用規范”）表4.3.12-2，南寧、廣州地區混凝土橋有效溫度標準值最高最低分別為34℃和0℃。偏安全的確定橋梁整體升溫20℃，整體降溫20℃。根據橋面瀝青混凝土鋪裝厚度，溫度梯度按T梁頂面日照正溫差T1=20℃，T2=6.7℃，日照負溫差T1=-10℃，T2=-3.35℃。

2.2.2 汽車荷載制動力

根據“通用規范”第4.3.5條，一個設計車道上汽車荷載產生的制動力按車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10%計算，但公路—Ⅰ級汽車荷載的制動力標準值不得小于165 kN。同向行駛三車道為一個設計車道的2.34倍。計算得，第2聯、第6聯橋1車道制動力為189.5 kN，則該聯汽車荷載制動力為443.43 kN。

2.2.3 風荷載

按照《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）計算主梁、橋墩的縱、橫向風荷載。

3 計算方法及有限元模型

本次檢算采用有限元建立全橋模型進行計算，樁側土考慮為土彈簧。若需采用“C”法、“m”法等簡化解析計算方法進行驗證，可參考《桂平官侯郁江特大橋引橋橋梁樁基承載能力計算書》、《K124+770桂平官侯郁江特大橋引橋橋墩樁基核算書》等資料計算結果，并按“評定規程”第7.3條進行承載能力和裂縫寬度評定。

根據設計圖紙及現場檢測結果，將結構離散為空間桿模型系，第2聯模型共2 149個桿系單元，1 526個節點。其中上部T梁采用梁格模型，共1 885個單元，橫向連接采用不計容重的虛擬橫梁，簡支端支座采用彈性支承，連續端支座采用彈性連接，彈性支承及彈性連接參數按設計的支座規格進行計算。蓋梁及支座墊石共92個單元，蓋梁單元和支座墊石單元間采用剛性連接。第2聯樁基共160個單元，樁基土彈簧采用彈性支承進行模擬。結構分析程序采用Midas Civil，有限元模型見圖2～圖4。

4 計算結果

4.1 承載能力極限狀態

在作用基本組合下，第2聯樁基計算抗力值均大于內力值，表明其承載力滿足要求。現狀態與設計狀態比較，樁基安全儲備變化情況見表2。

4.2 正常使用極限狀態

在作用頻遇組合下，第2聯僅5#墩樁基出現拉應力，裂縫寬度最大值為0.079 4 mm，裂縫寬度滿足要求，其余樁基均未出現拉應力，計算表明第2聯下部樁基正常使用極限狀態仍有一定應力儲備，抗裂性能滿足要求。現狀態與設計狀態比較，樁基裂縫寬度變化情況見表3。

5 結論

采用建立全橋有限元模型的方法，將上下部結構、樁基礎、樁周巖土同時進行計算，可以更客觀的計入上下部結構對樁基的影響，更準確的計算各種荷載在樁基的內力作用，從而解決了人工計算上下部結構剛度時計算假定過多、精度不足、偏于保守的問題，提高了檢算結果的精度，能夠給評估工作提供更準確的數據資料。

參考文獻：

[1]《公路橋涵地基與基礎設計規范》中華人民共和國標準（JTG D63-2007）[S].

[2]陳韜.大型橋梁樁基施工單樁承載力評估模型分析[J].湖南交通科技，2020，46（4）：91-93+124.

[3]趙明華，楊超煒，楊明輝，等.基于有限桿單元法的陡坡段橋梁基樁受力分析[J].中國公路學報，2014，27（6）：51-58+108.

[4]王東棟，孫鈞.基于廣義剪切位移法的橋梁樁基長期沉降分析[J].巖土工程學報，2011，33（S2）：47-53.

[5]楊明輝，劉廣軒，趙明華.高陡橫坡段橋梁雙樁結構計算方法研究[J].公路交通科技，2010，27（8）：55-59+65.