基于ABAQUS的整體橋UHPC樁基性能分析

江浩偉

(湘潭市規劃建筑設計院有限責任公司， 湖南 湘潭 411100)

整體橋取消了伸縮縫及伸縮裝置，主梁與橋臺固結，形成整體。整體橋的主梁在溫度、地震等作用下會產生縱橋向位移，并帶動下部橋臺與樁基一起發生位移。為適應上部主梁的變形，國外多使用H形鋼樁作為基礎，中國則使用砼樁基。相比H形鋼樁，砼樁基更易開裂損壞，無法滿足整體橋對樁基變形的需求。

超高性能砼(UHPC)具有高強度、高密實度和高耐久性。張永濤等針對常規鉆孔灌注樁、打入樁在遠海珊瑚礁地質條件下的適應性問題,提出了一種預制UHPC-灌注RC(鋼筋砼)組合樁基結構；陳寶春等為增大橋臺基礎柔度,適應整體橋縱橋向變形需要,提出了上部采用UHPC、下部采用RC的UHPC-RC階梯樁；戴沂新將H形UHPC樁應用于整體橋,代替原橋的矩形RC樁，結果表明H形UHPC樁能更好地降低主梁的彎矩；彭俊杰提出一種裝配式非預應力UHPC管樁，并采用有限元軟件ABAQUS對其承載能力進行分析，結果表明其承載能力比傳統預應力高強度砼(PHC)管樁有很大提升。該文采用ABAQUS軟件，對整體橋UHPC樁的性能進行分析。

1 工程概況

廣東清遠四九橋為中國第一座整體式全無縫橋梁，全長75.48 m，橋面橫向寬度8.5 m，梁高0.75 m。橋臺寬度8.5 m，厚度0.7 m，高度3.8 m。采用單根砼樁，樁徑1.5 m。橋臺采用C30砼，樁基采用C25砼。橋臺和樁基的尺寸見圖1。

圖1 廣東清遠四九橋橋臺布置(單位：cm)

以該橋為原型建立ABAQUS模型，進行RC樁基和UHPC樁基性能對比分析。UHPC樁基的材料參數見表1。

表1 UHPC樁基的材料參數

2 ABAQUS模型建立及加載

2.1 單元類型及材料屬性

建模時主要考慮土體、樁基和配重塊。樁基直徑為1.5 m，為滿足柔性樁的要求，樁長設置為10 m。為考慮土對樁基的約束作用，在樁基四周設置土體，考慮土體的邊界效應，建立10 m×10 m×10 m土體。考慮主梁、橋臺對樁基的作用，在樁基頂部設置配重塊。土體、樁基和配重塊采用三維實體單元模擬，鋼筋使用線單元的桁架來模擬。土體采用黏土，使用摩爾-庫倫本構模型；砼采用砼損傷本構模型；鋼筋采用PQ-Fiber中的USteel02本構模型。有限元模型見圖2。

圖2 UHPC樁有限元模型

2.2 裝配和分析步

部件中建立鋼筋纖維，在裝配中將鋼纖維合并組裝成鋼筋籠(見圖3)。設置2個分析步：第一步對土體進行地應力平衡，第二步進行加載。

圖3 鋼筋籠

2.3 邊界條件與相互作用

土體沿X方向的前后兩面約束X方向位移，沿Y方向的作用兩面約束Y方向位移，土體底面約束X、Y和Z3個方向的位移。樁底面、土體底面的邊界設置相同，約束X、Y、Z3個方向的位移。相互作用使用面-面接觸模擬，主要設置樁基外表面與土的接觸。為模擬鋼筋籠與砼樁基的作用效應，建立內置約束，將鋼筋籠內置于樁基中。

2.4 模型加載

整體橋的梁端位移一般最大不超過16 mm。為分析UHPC樁基的性能，加載至50 mm，第一次加載2 mm，20 mm前每次加載增加2 mm，20 mm后每次加載增加5 mm。

3 UHPC樁基性能分析

整體橋在溫度、地震等荷載作用下沿縱橋向發生的位移主要由下部結構來吸收，而樁基是吸收變形的主要結構。目前國內多使用RC樁基作為基礎，其變形效果不好，需采用承受變形能力更好的樁基來吸收變形。下面通過RC樁基與UHPC樁基的對比，分析UHPC樁基的性能。

3.1 樁基位移變形

如圖4(a)所示，加載位移為0～20 mm時，RC樁基的水平位移隨著埋深的增大而逐漸減小，樁底位置位移為零，樁基的變形彎曲較圓滑；加載位移為30～50 mm時，在距離樁底5.2 m處位移曲線出現折點，表明上半部樁基發生了很大變形，樁基發生了破壞。

如圖4(b)所示，UHPC樁基的0～50 mm位移曲線都較連續和圓滑，體現了UHPC樁基的高強度、高耐久性，在大位移加載下結構也不會發生破壞，充分發揮了其吸收變形的能力。

圖4 樁身位移

從圖4來看，加載位移為16 mm時，RC樁基和UHPC樁基的樁頂位移相差無幾，樁基變形規律也類似，這是因為加載位移較小，在樁基的變形承載范圍內；而在大位移加載(50 mm)時，樁頂的最大位移，UHPC樁基大于RC樁基，表明UHPC樁基適應大位移變形的能力比RC樁基強。

3.2 樁身彎矩

如圖5所示，在水平位移荷載作用下，RC樁基和UHPC樁基的樁身彎矩都呈兩端小、中間大的凸起狀。由于有限元模擬時在樁底采取鉸約束，樁底彎矩為零；模型在樁底上設置配重塊，加載位置位于配重塊上，樁基頂部亦產生彎矩。在加載位移為20 mm時，RC樁基在距離樁底6.67 m處彎矩最大，為1.109×106N·m；UHPC樁基在距離樁底5.55 m處彎矩最大，為1.501×106N·m。在加載位移為50 mm時，RC樁基和UHPC樁基的樁身最大彎矩分別為1.579×106N·m、3.467×106N·m。表明在相同加載位移下，UHPC樁基的最大彎矩更接近于樁基中點位置，UHPC樁基的受力性能優于RC樁基，其水平承載能力也更好，能更好地滿足整體橋對樁基變形的要求。

圖5 樁身彎矩

4 樁徑對UHPC樁基性能的影響

四九橋的樁徑為1.5 m。分別建立樁徑為1.2 m、1.5 m、1.8 m的UHPC樁基模型，分析樁徑對UHPC樁基性能的影響，結果見圖6。

由圖6可知：在加載位移為20 mm時，不同樁徑UHPC樁基的變形規律基本一致，直徑1.2 m時樁基變形曲率最大，樁徑1.8 m變形曲率最小，接近于直線。在加載位移為50 mm時，1.5 m、1.8 m樁徑樁基的變形相似，1.2 m樁徑樁基的變形則明顯不同，1.8 m樁徑樁基的彎曲變形最小，接近直線。可見，樁徑減小，可增加樁基的柔性，增強其變形能力；增大樁徑，會增大樁基的剛度，降低其變形能力。因此，樁基的直徑不宜過大。

圖6 不同樁徑下UHPC樁身位移

5 結論

(1) 相比RC樁基，UHPC樁基具有更好的變形能力，且能適應主梁在荷載作用下產生的更大位移。在大位移(大于20 mm)作用下，RC樁基易發生開裂破壞，而UHPC樁不會發生開裂破壞。

(2) 增大UHPC樁基的直徑，會增大樁基的剛度，降低其變形能力；減小UHPC樁基的直徑，能增大其柔性，提高其吸收變形能力。UHPC樁基的直徑不宜過大。