土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究.pdf

崔绍光,等:土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:崔绍光(),男,安徽亳州人,高级工程师土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究崔绍光,杨凯,吴晨飞,黄润钺,吴志刚(安徽省交通控股集团有限公司,安徽 合肥 ;安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 ;合肥工业大学,安徽 合肥 )摘要:本文以一种新型山区高速公路装配式悬挑复合路基结构为研究对象,分析了该类结构在最不利荷载组合作用下,土体性质对于挑梁、立柱等主要构件力学性能的影响规律,结果表明:土体性质对挑梁挠度具有一定影响,但对弯矩的影响较小;土体性质对立柱土体以上部分的横向位移具有一定影响,土体越软,横向位移越大.土体性质对立柱土体以下部分的弯矩具有较大影响,土体越软,弯矩越小.而且,由于立柱在入土位置处受到挡土板基础的约束,土体性质对立柱土体以上部分的弯矩也具有一定的影响,但影响较小.关键词:山区高速公路;装配式;悬挑结构;力学性能;土体性质中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言 年,周志祥团队结合国道 线西藏业拉山段改建工程及四川G 乌齐至昌都段等依托工程针对悬挑路基结构设计及施工方法开展研究 .悬挑路基结构的应用为山区路基创设了一种新的结构体系.由于悬挑路基结构体系采用了类似于桩基础这样一种基础形式,因此,“桩土之间”的相互作用便显得十分明显,其桩身周围土体的自身物理性质及地质条件均对悬挑路基结构的各项力学特性或多或少存在着一定的影响.曾勇等人以处于灰岩地区的某桥梁工程为依托,分析不同荷载下桩侧溶洞关键尺寸大小对岩溶区桥梁桩基桩顶位移和桩端反力的影响.T o l aA b d iM e k o n n e n以温州奥林匹克体育中心为工程背景,分析了在不同地质条件下,不同桩距和不同堆积速率等因素对邻近桩基力学性能的影响.李正东 研究了相同含水率土样的温度场、桩顶上拔位移和不同深度桩身侧摩阻力随时间发展规律.付蕾 研究了单桩和不同长度群桩在水位下降和水位循环升降工况下的变化特征.结果表明:桩侧土体与桩基础的相对位移决定了桩侧摩阻力分布,地下水位下降,桩土相对位移增大,负摩阻力和下部正摩阻力均增大.距离桩基越近,土体沉降越小,群桩内部的中心桩周围土体沉降最小.本文以溧宁高速公路黄山至千岛湖安徽段提出并实施的新型山区高速公路装配式悬挑复合路基结构为研究对象,该类结构能够有效实现标准化设计、模块化预制、装配化施工,并首次应用于高速公路建设,能够显著节约工程造价,大幅缩短工期,提高施工精度和质量.本文将对装配式悬挑复合路基结构力学性能对于土体性质的敏感度进行研究,以期对该类结构的设计和施工提供有益借鉴.装配式悬挑复合路基结构概况本文以溧宁高速公路黄山至千岛湖安徽段采用的装配式悬挑复合路基结为研究对象,该类结构主要由立柱、外纵梁、挑梁、内纵梁、挡土板、挡土板基础及锚杆等构件组成.其中,挑梁、挡土板、外纵梁采用工厂预制,可以充分发挥预制构件质量高、建造方便等优点,极大地缩短了施工工期;立柱、内纵梁则根据现场实际施工条件,因地制宜,选择性地采用装配构件或现浇构件,以达到对各类不同地形、不同场地条件的良好的适应性能.立柱与挑梁通过 连接 钢 筋连 接,内 侧 挑 梁 置 于 挖 方 路基,外侧挑梁悬于立柱外侧;内纵梁沿路线纵向设置于挑梁尾端,与挑梁通过现浇 连接,内纵 梁 上设 置配 重 挡墙;外 纵梁设置在立柱顶处的挑 梁位 置,挡 土板 设 置在 地面 以上 的立柱之间;通过现场现 浇湿 接 头的 方式 将 各预 制构 件进 行连接.同时,为保证整 个结 构 安全 稳定,在挑 梁尾 端、立 柱及挡土板等关键位置设置了嵌入岩层的锚杆.结构体系如图所示.在装配式悬挑复合路基结构中,各主要构件均采用钢筋混凝土结构,如图和图所示.其中,立柱考虑各种因素的影响,决定采用矩形截面,矩形截面的宽为 m、高为 m,立柱高度与场地条件相互适应,以达到良好的匹配效果,立柱间距为m;挑梁位置与立柱位置一一对应,间距为m,长为建筑结构JIANZHUJIEGOU崔绍光,等:土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究 工程与建设 年第 卷第期图装配式悬挑结构横断面图 m,挑梁考虑各种因素的影响,决定采用变截面形式;内图挑梁及立柱断面图纵梁考虑各种因素的影响,决定采用矩形截面,矩形截面的宽为 m、高为 m;外纵梁考虑各种因素的影响,决定采用矩形截面,矩形截面的宽为 m、高为 m;挡土板板厚为 m,锚杆采用HR B 钢筋.图挑梁一般构造图结构精细化非线性实体有限元模型本文采用有限元软件A B AQU S建立装配式悬挑复合路基结构的精细化非线性实体有限元模型.其中,共建立了挑梁、外纵梁、内纵梁、内纵梁基础、挡土板、挡土板基础、立柱、泡沫混凝土、土体等共 个实体单元,其余锚杆与钢筋均采用桁架单元进行模拟.模型中的实体单元拟采用C D R八结点线性六面体单元进行模拟、模型中的桁架单元拟采用T D 两结点线性三维桁架单元进行模拟,这样可以在保证计算精度足够高的前提下提高计算效率.图H P B 本构模型本文的A B AQU S有限元模型主要采用了H P B 钢筋、HR B 钢筋、土体、泡沫混凝土、C 混凝土和C 混凝土共类材料,各项详细参数具体见图、图、表和表所示,钢图H R B 本构模型筋构件采用常见的带有强化段的二折线本构模型,混凝土构件则采用常用的塑性损伤模型,泡沫混凝土考虑计算效率和实际情况采用理想弹性材料模型.表土体与泡沫混凝土物理参数表物理参数土体泡沫混凝土材料密度/(k g/m)弹性模量/(MP a)泊松比 表混凝土塑性损伤参数表膨胀角偏心率fb/fc K黏性参数 崔绍光,等:土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 为了模拟结构与土体之间的相互作用,地基尺寸常常应大于结构尺寸的倍,这样计算得到的土压力误差可以控制在以内.所以,在本文的A B AQU S有限元模型模拟中,拟将结构周边的土体尺寸设置为结构尺寸的倍以上,以满足地基作为半无限体的假设.对于土体,目前常用的两个本构模型为M o h r C o u l o m b模 型 和D r u c k e r P r a g e r模 型,由 于M o h r C o u l o m b模型的计算准确程度较高,因此,本文土体本构模型选择了M o h r C o u l o m b模型,其中,硬土和软土的各项力学特性参数具体见表.表岩土材料参数表土层密度/(k g/m)弹模/(MP a)泊松比摩擦角/()膨胀角/()软土 硬土 在文本模型中还存在几种重要的相互接触作用:钢筋与混凝土之间相互接触;各个主要构混凝土件之间相互接触;混凝土构件与土体之间相互接触;锚杆与土体之间相互接触.对于这几种相互接触作用采用以下方法进行模拟:钢筋与混凝土之间以及锚杆与土体之间采用内嵌的约束方式进行模型,认为他们之间有良好的黏结性能,形成了一个良好的整体结构,不会发生相对滑移,以达到共同变形的特性;各个混凝土现浇构件而形成的整体混凝土结构,认为其存在着良好的整体性能,因此,对这些混凝土现浇构件采用绑定接触或合并为一个整体构件进行模拟,这样可以极大地提高计算效率;其余各个混凝土构件之间以及各个混凝土构件与土体之间均采用A B AQU S软件中特有的相互作用接触功能进行模拟.上述相互作用接触功能中的接触属性主要包括了切向行为接触属性和法向行为接触属性这两种接触属性,其中,切向接触采用库仑理论,摩擦系数为;法向接触设置为硬接触.装配式悬挑复合路基结构的精细化非线性实体有限元模型具体见图所示,土体共分为两层,上土层厚度为 m,下层土厚度为 m.对土体四周设置位移约束,来模拟土体的实际边界条件,土体底部设置竖直方向上的约束,两边设置相应的约束.图装配式悬挑复合路基结构的精细化非线性实体有限元模型图本文主要分析了运营阶段,在车道荷载外偏工况以及不同地质条件情况下,装配式悬挑复合路基结构的力学性能.根据土体性质的差异,共分为四个分析工况:工况:上、下土层均为硬土;工况:上层为硬土,下层为软土;工况:上层为软土,下层为硬土;工况:上、下土层均为软土.具体分析工况及其相关土体力学性能参数具体见表和表.表模型工况汇总表工况上层土下层土工况硬土硬土工况硬土软土工况软土硬土工况软土软土结果分析由于装配式悬挑复合路基结构的主要受力构件为立柱和挑梁,因此,本文选取立柱的横向位移和轴力,以及挑梁的竖向位移和挑梁弯矩作为工程力学参数进行分析.土体性质对挑梁的敏感性分析对比分析图图可知,随着地质条件和结构周边土体性质的变化,挑梁的竖向位移和弯矩变化较小.其中,挑梁沿长度 方 向 上 位 移 相 差 在 mm以 内,弯 矩 最 大 相 差 k Nm.而且挑梁的应力分布规律也基本一致,且最大拉应力均在 MP a以内,最大压应力均小于 MP a.因此,地质条件和结构周边土体性质对挑梁的力学性能影响并不明显.土体性质对立柱的敏感性分析立柱横向位移变化如图 所示,立柱弯矩如图 所示,立柱应力云图如图 所示.分析图 可知,随着地质条件和结构周边土体性质的变化,立柱的横向位移变化规律较为一致.其中,在柱底至柱高m范围内,土体性质变化对立柱横向位移影响甚微,这主要是因为m处为立柱入土位置,立柱嵌入土体处设置有挡土板基础,限制了立柱的横向位移.在柱高m以上至柱顶范围内,立柱的横向位移沿高度向上逐渐增大,且不同工况下立柱的位移相差均在 mm以内.而且,工况(上、下层均为建筑结构JIANZHUJIEGOU崔绍光,等:土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究 工程与建设 年第 卷第期图挑梁竖向位移变化图图挑梁弯矩变化图图挑梁应力云图(单位:P a)图 立柱横向位移变化图图 立柱弯矩图崔绍光,等:土体性质对于装配式悬挑复合路基结构力学性能的影响度研究建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 图 立柱应力云图(单位:P a)软土)下立柱横向位移最大,其顶部位移达到了 mm;工况(上层为软、下层为硬土)下立柱的位移变化最小.分析图 可知,随着地质条件和结构周边土体性质的变化,立柱的弯矩变化规律也较为趋势一致.其中,在立柱高度为m处,其弯矩(绝对值)最小,在立柱高度为 m处,立柱弯矩达到了最大值.土体性质对立柱土体以下部分的弯矩影响较大,对立柱土体以上部分影响较小,例如,当下层土为软土时(工况和工况),其立柱土体以下部分的弯矩明显小于工况和工况.对比分析图 可知,地质条件和结构周边土体性质对于悬挑结构的影响主要集中于立柱,对其他构件的应力分布也有一些影响,但影响较小.结论本文以溧宁高速公路黄山至千岛湖安徽段提出并实施的新型山区高速公路装配式悬挑复合路基结构为研究对象,基于A B AQU S软件平台,建立了装配式悬挑复合路基结构的精细化非线性实体有限元模型,研究了结构在最不利荷载组合作用下,地质条件和结构周边土体性质的变化对于该类结构的挑梁、立柱等主要构件力学性能的影响,主要结论如下:()土体性质对挑梁挠度具有一定影响,但对弯矩的影响较小;()土体性质对立柱土体以上部分的横向位移具有一定影响,土体越软,横向位移越大.土体性质对立柱土体以下部分的弯矩具有较大影响,土体越软,弯矩越小.而且,由于立柱在入土位置处受到挡土板基础的约束,土体性质对立柱土体以上部分的弯矩也具有一定的影响,但影响较小.参考文献袁瑞,程远志装配式悬挑结构在山区新建道路中应用探讨J工程与建设,():范亮,阿旺曲觉用整体式悬挑结构拓宽山区道路C 中国科协海峡两岸青年科学家学术活动月 首届两岸四地公路交通发展论坛论文集苏州,:游涛,周志祥,郑文用边坡格构基础悬臂结构拓宽山区道路新技术J重庆交通大学学报(自然科学版),():,阿旺曲觉,周志祥,范亮用整体式悬挑结构拓宽山区道路的新技术探索J西藏科技,():郑文半桥边坡复合路基结构性能与设计方法研究D重庆:重庆交通大学,刘晨光,周志祥,毛久群整体式悬挑结构与岩土共同作用研究J重庆交通大学 学报(自然科学版),():,游涛基于结构岩土共同作用的道路悬臂结构计算方法研究D重庆:重庆交通大学,曾勇,单海东,贺燚,等桩侧溶洞对桥梁桩基沉降和桩端受力影响分析J路基工程,():ME KONN E NAT地基改良对软土中邻近超长桩基础的影响D绍兴文理学院,李正东冻土与群桩基础相互作用实验研究D镇江:江苏大学,付蕾地下水位变化对高速铁路高架桥桩基础影响研究D杭州:浙江大学,刘维栋,刘长喜山区悬挑桥梁结构受力性能研究J公路交通科技(应用技术版),():田海涛山区装配式悬挑路基结构力学行为分析D合肥:合肥工业大学,