预制梁场台座基础受力有限元分析

葛欣

(中铁二局第三工程有限公司， 四川 成都 610031)

0 引言

为满足集中化、规模化及标准化施工需求，预制梁场的建设在桥梁工程中很大程度上得到了推广，其基础设计成为了预制梁场生产的关键，但目前工程人员对梁场基础设计未引起足够重视，对其受力及变形特性还不很清楚。因此，分析预制梁场基础受力具有重要工程指导意义。

李闻[1]通过对存梁台座的设计研究，介绍了台座基础的设计原则及方法。戴必辉等[2]通过不同的计算方法同现场实测存梁台座沉降数据对比，找到了适合沉降计算的方法及参数取值。白国远[3]对制梁、存梁台座和附属结构进行基础计算和沉降计算分析，为预制梁场设计及施工提供了参考。李胜华[4]对制存梁台座基础沉降计算及其结果进行了研究，为地基处理提供了依据。杜勇[5]对双层存梁的存梁台座进行了沉降观测，为安全施工提供指导。

综上可知，上述学者对预制梁场台座基础受力、变形及土体沉降缺乏系统的研究，且多停留在简化的手动计算上，往往较难反映现场实际模型。本文结合公路工程实例，对制梁台座基础进行设计计算，最后通过有限元软件abaqus对存梁台座基础受力及变形进行三维建模分析，所得结果可为工程实践提供参考。

1 工程概况

本工程为普安县城至县城东区旅游快速通道工程，起讫里程为 K0+400～K10+936.804，路线全长10.54 km，包含中桥1座，大桥8座。预制梁场长×宽为220 m×50 m，主要分为制梁区、存梁区、运梁区、钢筋加工场等，配置10 t龙门吊2台，80 t龙门吊4台，龙门吊跨径均为18 m。

预制T梁跨径30 m，共计608片，单片最大自重76 t，中梁顶宽1.7 m，底宽0.5 m，高2.0 m；边梁顶宽1.98 m，底宽0.5 m，高2.0 m。

2 制梁区台座

在18 m的龙门架内布设4个长30.6 m的制梁台座，纵向相邻台座边缘相距5 m，两侧台座中心距龙门吊轨道墙中线3.0 m，相邻台座中心距4.0 m。如图1所示：

图1 制梁区断面图（单位：m）

制梁台座两端设C30砼扩大基础，长×宽×高为2 m×2 m×0.6 m。T梁张拉后，梁体中间向上起拱，其自重由两端扩大基础承担，每端承重38 t。扩大基础自重2 m×2 m×0.6 m×25 kN/m3=60 kN，忽略基础坑壁对基础向上的摩阻力，按保守计算原则，则基底压应力P=(380+60）/(2×2)=110 kPa＜250 kPa，满足地基设计承载力的要求。

选择基础材料：采用C30混凝土（ft=1.43 N/mm2），钢筋fy=360 N/mm2，并设置150 mm厚的C20混凝土垫层，每边伸出100 mm。存梁台座基础平面及剖面图如图2所示。

2.1 基础净反力计算

基础抗冲切及抗弯验算采用基本组合的设计值，对由永久荷载效应控制的组合，恒载分项系数取1.35，则扩大基础一端受力N=1.35×380=513 kN，换算为线荷载，F=513/2=256.5 kN/m，基础净反力：Pj=F/b=256.5/2=128.25 kPa。

图2 基础平面及剖面图

2.2 基础高度抗剪验算

基础高度为 0.6 m，保护层厚度取 as=50 mm，基础有效高度h0=h-as=600-50=550 mm，Ⅰ-Ⅰ截面剪力：

抗剪承载力：

抗剪承载力满足要求。

2.3 基础底板配筋计算

Ⅰ-Ⅰ截面控制弯矩：

根据《建筑地基基础设计规范》[6]8.2.1条，基础配筋率不应小于0.15%，因此纵向受力钢筋构造配筋的面积：As.min=1000×600×0.15%=900 mm2＞203 mm2，取As=900 mm2，每延米配筋5根φ16@200 mm，实配As=1005 mm2＞900 mm2，分布钢筋选φ10@250 mm。

为使T梁自重较均匀传至制梁台座，台座面板采用5mm厚不锈钢板，棱角采用角钢包边。基础按计算及构造配筋见图3。

图3 基础配筋图

3 存梁区台座

3.1 有限元模型

存梁区共布置7个台座。有限元计算模型为三维实体模型，如图4所示。条形基础长L=17.5 m，宽度b=3.6 m，埋深d=0.8 m为忽略边界条件对模型计算结果的影响，取土体尺寸为35 m×20 m×15 m（长×宽×高）。土的侧向边界限制水平位移，底面边界限制竖向及水平位移。由于钢筋混凝土基础相对土体刚度较大，因此基础采用理想线弹性模型，土体采用摩尔库伦模型。

图4 有限元模型

合理设置基础-土界面接触属性是采用有限元方法分析基础-土相互作用的前提。本文采用面对面的离散方法，以刚度较大的基础作为主控面，土体为从属面。接触跟踪方法采用有限滑动方法，允许基础-土界面产生较大的相对滑移和转动。基础与侧面土体接触面的法向模型采用硬接触，摩擦模型采用罚摩擦计算方法，通过反复演算取基础-土界面摩擦系数μ=0.4。基底与基底土接触采用tie连接。基础与土体均采用C3D8R单元，以远离基础的土体网格划分较疏，而邻近基础的土体网格划分较密为原则进行网格划分。

1.3 m深度范围进行碎石土换填，基础采用C30混凝土，弹性模量E=30 GPa，泊松比ν=0.2，密度ρ=2500 kg/m3，通过现场地质勘查，土层分布及土体参数见图5。

图5 地质剖面及土体参数

根据已有学者经验，土体弹性模量取为压缩模量的 3～5倍，碎石土弹性模量E1=305 MPa，泊松比1ν=0.2，粉质黏土弹性模量E2=41.5 MPa，泊松比2ν=0.3。

3.2 计算结果及分析

3.2.1 应力云图、等值线图

图6为基础mises应力云图，可以看出，应力分布中间大、两端小，最大应力3699 kPa，最小应力45.1 kPa。地面上台座局部压应力较大，而地面下基础压应力较小。

图6 Mises应力云图

图7为基础及表层土体沉降等值线图，可以看出，基础较周围土体的沉降大，且基础最大沉降发生于基础中线横截面处，为19.1 mm。土体沉降等值线以基础为中心呈椭圆形分布，距基础中心越远，沉降等值线值非线性递减。

图7 沉降等值线

图8为基础中线纵断面上土体沉降及竖向应力等值线图。从图8（a）可以看出，临近基础土体沉降较大，最大值19.1 mm，随着深度增加，土体沉降呈衰减趋势，如11 m深度处的土体沉降仅2.7 mm。从图8（b）可以发现，约9 m深度处，土体竖向应力等值线大致水平，其值为 205.4 kpa，基础及土体自重应力叠加值

kN/m3×1.3 m+19 kN/m3×7.7 m=202 kPa，两者基本吻合，表明在此深度以下，外荷载引起的土体附加应力可以忽略。因此，外荷载仅在一定深度内对土体应力存在影响，超出该深度的土体应力均为自重应力。从图8（b）中还能发现，基础两端土体应力等值线较密，产生应力集中现象。

图8 土体沉降及竖向应力等值线

3.2.2 基础弯矩

图9为基础弯矩图。从图9（a）可以看出，弯矩中间大、两端小。基础弯矩与沉降图相对应，最大沉降值19.1 mm的中部横截面弯矩达2698 kN·m。从图9（b）可以看出，纵截面弯矩呈“猫耳朵”状分布，最大弯矩并未出现在中部纵截面，而是出现于对称中部纵截面的b/4及3b/4纵截面，最大为539.8 kN·m。在b/3～2b/3范围内，弯矩值基本不变，其值为415.1 kN·m。

对比图9（a）与图9（b）还能发现，基础弯矩以横截面弯矩占主导，这与基础上部T梁荷载分布及基础变形有关。

图9 基础弯矩图

3.2.3 基底接触土压力

图10为基底接触土压力。从图10（a）可以看出，横向基底中线处接触土压力两头大、中间小，两端最大接触压力达230.8 kPa，小于设计地基承载力值250 kPa，地基承载力满足要求。从图10（b）可以看出，纵向基底中线处接触土压力呈“W”状分布，中部土压力值较大，这是因为基础上部 T梁荷载在基础中部较两端更为集中，致使基础中部产生较大沉降，因而土压力较大。

图10 基底接触土压力

4 结语

本文可得出以下结论：

1）依据抗剪计算确定制梁台座基础高度；依据抗弯计算确定基础底板配筋，最后给出台座基础施工配筋图，可为类似工程提供参考。

2）存梁台座基础应力呈中间大、两头小分布。最大沉降发生于基础中线横截面处，土体沉降等值线以基础为中心呈椭圆形分布，距基础中心越远，沉降越小。

3）外荷载仅对一定深度内土体竖向应力产生影响，超过此深度的土体竖向应力等值线基本水平；存梁台座基础两端土体应力等值线较密，产生应力集中现象。

4）存梁台座基础中部横截面弯矩最大；纵截面弯矩呈“猫耳状”分布。相比纵截面弯矩，基础横截面弯矩占主导，这与基础上部 T梁荷载分布及基础变形有关。

5）存梁台座横向基底中线处接触土压力两头大、中间小；纵向基底中线处接触土压力呈“W”状分布，中部土压力值较大。

需要说明的是，应加强现场台座基础沉降观测，有条件时宜在基底埋设土压力盒，以实测结果对比有限元结果，将不同的研究手段有机结合，做到结果相互验证。