承台封底混凝土精细化受力分析

承台封底混凝土精细化受力分析

黄 宇 宁艳玲

中交一公局厦门工程有限公司

【摘 要】：厦漳跨海大桥南汉桥主承台施工采用钢吊箱的结构形式，封底施工后在低水位情况下浇注第一层承台混凝土，按常规方法计算得护筒与封底混凝土粘结力不满足要求，故拟在全部护筒上采取加强措施。为精确计算各护筒实际粘结力分配值，采用有限元软件对封底混凝土进行分析，找出最不利护筒所在位置并仅对此进行加强，从而更准确的指导施工。

【关键词】：封底混凝土 粘结力 有限元

1、承台结构形式

主承台为哑铃型，外轮廓尺寸：55.9m(长)×28.6m(宽)×6m(高)，封底混凝土厚2m，承台分两次浇注，吊箱底高程-5.5m，吊箱顶高程+5.5m；承台底高程-3.5m，承台顶高程+2.5m，承台混凝土分两次浇注，从下往上各层浇注高度为2.5m、3.5m。除哑铃中间1号位置桩基直径为2.5m外，其余桩基直径均为2.8m，承台平面布置如图1：

2、验算缘由及内容

当浇注承台混凝土时，封底混凝土仅靠粘结力与桩基连接，故有向下滑落的可能性。在首层承台混凝土浇筑接近完成时（混凝土未凝固），出现最低潮，此时为最不利工况，故需对该工况下的封底混凝土抗滑落的稳定性进行分析，验算封底混凝土粘结力及抗裂性能是否满足要求。

传统计算方法先对最不利工况时的向上、向下力作比较，再将粘结力不足值平均于护筒，其计算如下：

向下的力：

钢吊箱自重：G1=1228t；

封底混凝土自重：G2=2.4×963.2×2=4623t；（封底混凝土高度2m） 第一层承台自重：G3=2.6×1177×2.5=7651t；（第一层承台浇筑2.5m） 向下的力：

承台受浮力F=963.2×4=3853t；（低潮位时4m水头）

护筒粘结力T=(32×3.14×2.85×2+2×3.14×2.5×2)×15=9062t；（32根2.85桩和2根2.5桩）

则：抗滑落安全系数K=向下/向上=(3853+9062) /(1228+4623+7651)=0.95<1.1，不满足要求。 若考虑抗滑落安全系数不小于1.1，则需要底板承受的竖向荷载大小为13501.9×（1.1-0.95）=2025t，分配到每根桩为2025t/34=60t，则每个护筒均需要焊接加强措施以保证粘结力满足要求。

显然，传统的计算方法将封底受各种力均等效成为一个荷载进行计算，而并未考虑由于力的作用位置不同而产生的差异，因此不能反映封底混凝土的实际受力情况，故精细化分析势在必行。

3、建立基本模型

3.1结构分析模型

首先将承台桩基、封底混凝土等构件通过CAD导入模型，通过软件的线、面、体扩展功能建立几何模型，并通过布尔运算将建立好的几何模型相加成一个整体模型，然后通过FEA自动划分网格功能，将这个整体模型划分为115703个四面体单元和91464个节点。桩基取12m长度进行模拟。模型网格划分后如图2：

整体模型图示

3.2边界条件

边界条件则是将桩底固结。 3.3荷载

自重：封底混凝土、桩基以及吊箱按实际取值； 第一层承台混凝土湿重：25KN/m；

封底混凝土所受浮力：低水位-1.5m时封底混凝土所受4m水头浮力；

2

4、模型分析与验算

4.1分析思路

本承台共有桩基34根，由于结构属于对称结构，故取1/4模型桩基进行分析，分别计算单根桩底反力，粘结力值值通过桩底反力与10m桩基自重反算得到，再利用所求的粘结力与经验取值进行比较，若计算值大于的经验取值15KN/m，则对钢护筒进行加强处理。由于篇幅关系，仅取以下四种比较典型的桩基验算：

桩基编号 1 2 3 4 位置 中间加桩 加桩临近桩 承台中部桩基 最边缘拐角处桩基 成桩直径(m) 2.5 2.8 2.8 2.8 2

4.2反力计算

在模型中加载自重、混凝土压力以及浮力后进行计算，可得桩底反力如下图3：

桩基反力

各桩基底部被划分为29个节点，通过提取后可得桩底总反力，以1号桩基为例，其反力如表2（表格中XYZ为节点在模型中三维坐标值）：

1号桩基反力（中间加桩）

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 节点 8237 8238 8239 8240 8241 8362 8363 8364 8365 X -2.65 -3.12835 -3.53388 -3.80485 -3.9 -3.80485 -3.53388 -3.12835 -2.65 Y 1.25 1.154849 0.883883 0.478354 0 -0.47835 -0.88388 -1.15485 -1.25

Z -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 反力（KN） 101.955 166.131 155.781 102.141 95.384 158.024 138.396 104.207 167.881

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 合计 8462 8463 8464 8465 8565 8566 8567 8650 8651 8652 8653 8654 8655 8656 8657 8658 8659 8660 8661 8662 -2.17165 -1.76612 -1.49515 -1.4 -1.49515 -1.76612 -2.17165 -2.60661 -2.86111 -2.2317 -2.99736 -2.5053 -1.95804 -1.86184 -2.20355 -2.92069 -3.31817 -3.43816 -3.08594 -2.43756 -1.15485 -0.88388 -0.47835 0 0.478354 0.883883 1.154849 -0.2379 0.234029 -0.06737 -0.20131 0.725677 0.317823 -0.15677 -0.66817 -0.70538 -0.44646 0.156774 0.609212 0.18932 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 -12 95.927 88.790 145.968 129.819 97.425 165.101 105.050 189.577 203.939 133.077 158.110 327.818 251.227 147.867 331.997 268.892 159.760 315.278 189.465 152.599 4847.585 4.3粘结力计算

对桩底反力汇总，并反算后可得如下表4：

主墩承台浇筑抗滑落粘结力加固验算

成桩位置 直径(m) 中间加桩 加桩临近桩 承台中部桩基 最边缘拐角处桩基 2.5 2.8 浇注2.5m承台反力(KN) 4847 5267 浇注承台粘结力(KN) 3375.1 3420.7 粘结力计算面积(m2) 15.7 17.898 单位面积粘结力(KN/m2) 150 150 允许的粘结力(KN) 2355 2684.7 加固提供的粘结力(KN) 1020.13 735.98 是否需要加固 是 是 序号 桩基自重(KN) 1 2 1471.88 1846.32 3 2.8 1846.32 4076 2229.7 17.898 150 2684.7 -455.02 否 4 2.8 1846.32 4158 2311.7 17.898 150 2684.7 -373.02 否 注意：以上结论表明，仅1、2号位置桩基需要采取加强措施，加强措施提供力值最大为102t。 4.4主拉应力验算

封底混凝土在最不利荷载作用下主拉应力结果如图4：

封底混凝土最不利荷载下主拉应力

4.5计算结果分析

通过以上计算表明，承台施工时仅需要对中间4根桩基进行粘结力加强处理，且施工时封底混凝土主拉应力最大仅为0.55Mpa，小于混凝土容许值，满足施工要求。

5、结论和建议

群桩基础采用钢吊箱进行施工时，封底混凝土受力较为复杂，特别在潮位变化较大区域，低潮位时易出现封底混凝土抗滑落性能不满足要求，施工单位一般根据以往经验，对所有护筒进行粘结力加强处理；但大面积的加强处理，不仅浪费材料和工期，且对吊箱下放、封底施工干扰较大，不利于施工的顺利进行。

目前，厦漳大桥南汉桥主承台混凝土已顺利浇注完毕。实践证明，本次粘结力加强处理完全能满足要求，仅加强用钢材就节省近10t，取得了一定的经济和社会效益。

总之，在计算机发展的今天，精细分析将是结构计算的趋势，特别对于复杂结构，不应该进行大面积盲目加强处理，而应该进行精细受力分析，这样不仅有利于节省施工成本，更对施工技术的发展起到了积极作用。

参考文献

1、中交公路规划设计院 JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范 2004-10-01 2、交通部公路规划设计院 JTJ 025-86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 1987-01-01 3、人民交通出版社 工程荷载规范(JTJ215—98) 1998 4、中国水利水电出版社 有限元法原理与应用（第三版） 2009 5、北京迈达斯技术有限公司 Midas FEA用户手册 2009

作者：黄宇，男，1984年生，大学本科，助理工程师。 宁艳玲，男，1964年生，大学专科，工程师。