何 况 武坤朋 胡秀旗 张 健 徐志军

(1.郑州市轨道交通有限公司,河南 郑州 450000; 2.河南工业大学土木建筑学院，河南 郑州 450001)

1 工程概述

本文对本桩基托换工程的原有结构以及托换结构在主动托换过程中的受力以及沉降位移进行了理论和数值分析，在千斤顶主动荷载下托换结构和原有结构都会受到不同程度的影响，结构不同位置的受力和沉降位移各有不同，靠近千斤顶的位置影响较大，反之较小[1- 4]。本文利用ABAQUS有限元软件对工程中托换大梁以及托换桩进行数值模拟，对浇筑后的结构进行建模，模拟工程结束后的状态，再对比本文第四章中千斤顶对原有结构及托换结构影响结果，分析托换前后的沉降位移变化。

2 有限元模型

模型地层部分的尺寸长50 m(X方向)、宽50 m(Y方向)、高100 m(Z方向)，三维几何有限元模型见图1，托换结构几何模型见图2。托换梁和托换桩结构采用C40混凝土其轴心抗压强度设计值为19.1 N/mm2，拉压弹性模量为32 500 N/mm2，泊松比为0.2。

对模型中土体四周侧面施加垂直该面的约束，将模型底部完全固定，见图3。对桥台上表面施加192 263 Pa的压强，上部结构的自重；模型包括托换梁、托换桩和土体，为了缓解模型计算压力，在划分网格时对模型进行切割，所有部件均采用线性六面体C3D8R划分，划分单元数为14 868，划分网格如图4所示。

3 结构内力及沉降影响分析

3.1 桥台内力及沉降分析

整个桩基托换过程结束后，最终要保证桥台的稳定，从而保证整个上部高架桥的正常使用，本节提取本模型计算结果，以桥台为对象分析其最终的受力以及沉降。桥台Mises应力云图如图5所示。

为方便观察，对上表面边缘各点进行编号1～16，沉降云图及编号情况如图6所示。在ABAQUS后处理中提取各点的竖向位移，对各个点的位移进行比较，如图7所示。

从图7中可以看出，各编号点沉降位移值分布在1.2 mm左右，桥台长度方向靠近1号、2号桩的位置位移偏小，远离1号、2号桩位置位移较大。相差很小，其中最大及最小沉降量出现在编号2和编号9，沉降值为1.34 mm和1.22 mm，两者相差约0.12 mm,对结构不造成影响。

3.2 托换大梁内力及沉降分析

工程中托换大梁的作用至关重要，其支撑起整个上部结构，由于托换梁长度达18.4 m，并且桥台位于托换梁中部靠近1号、2号桩位置，故上部结构对其影响不是对称分布的，本小节在ABAQUS后处理中提取Mises应力云图和竖向位移云图并对其进行分析，观察结构在上部荷载作用下受到的影响，对其影响较大的位置在工程中作为重点加强监控。托换梁Mises应力云图和竖向位移云图如图8，图9所示。

由图8，图9可以看出，托换大梁最大应力位置出现在与1号桩连接处位置，Mises应力值为1.054 MPa，其次为与2号桩连接处位置，与3号、4号桩连接处位置的应力也大于其周围。

提取托换梁U3方向的位移云图，图中显示托换梁长度方向中间位置的竖向位移大于两端，宽度方向靠近2号、4号桩区域的竖向位移大于靠近1号、3号桩区域，为了更进一步分析上部荷载作用所造成的托换梁不同位置的沉降规律，对影响较大且具有代表性的靠近2号、4号桩的上表面长边各个节点进行编号，分别提取其竖向位移值，对其各个编号点的竖向位移值进行比较。托换梁竖向位移云图及编号点位置见图10，各编号点位移比较见图11。

由图11可以看出最小位移出现在编号1处，其处于与4号桩连接处的边角位置，沉降值为0.632 mm，最大竖向位移出现在编号7处，其位于托换梁与桥台的连接处的与2号、4号桩靠近的长边上，位移值为1.363 mm。最大竖向位移值与最小竖向位移值相差约0.731 mm，整个托换梁的最大挠度小于1 mm，故在允许范围内，不影响结构的使用。由竖向位移云图也可看出托换梁的变性规律，在长度方向上，与桥台连接处位置的变形大于两端，宽度方向上，靠近2号、4号桩区域的变形大于其余位置。所以在工程施工中对于托换梁的变形应进行实时监控，尤其是边缘位置以及各结构连接处位置。

3.3 托换桩内力及沉降分析

在ABAQUS后处理中提取托换桩变形状态下的Mises应力云图，如图12所示，为方便观察，将变形夸张放大。

从图12可以看出，由于托换梁与桥台连接处位于托换梁中间靠近1号、2号桩位置，所以传递下来的荷载影响在托换桩上表现出图中的变形，影响较大的位置为桩顶以及其下部3 m～6 m位置，故在工程中应对桩顶和桩与托换梁连接处的施工应加强监控。提取各桩截面的轴力，具体数据见表1。图13为不同载荷下模拟计算值的比较。

表1 各桩在不同深度的轴力kN

由图13可以看出，在本桩基托换工程结束后，托换桩的受力区域稳定，1号～4号桩的桩身轴力随深度的增加不断减小，直至桩底趋于0，符合摩擦桩的特性。这4根托换桩由于桥台位置不在托换梁的正中央而受力有所不同，在图13中可以看出，4根托换桩在不同深度的轴力及变化规律基本相同，有略微的差别，轴力从大到小依次为2号桩、1号桩、4号桩、3号桩，这与各托换桩与桥台的位置距离有直接关系，距离越近，托换桩受到的轴力越大，反之越小。

4 结语

本文利用ABAQUS软件模拟桩基托换工程在既有桥台与托换大梁之间混凝土浇筑后整个结构的影响，并得出以下结论：

1)应力的分布在桥台底部差异较大，因此在工程中托换节点的施工以及后浇混凝土时应加强监督和检测，以免出现不必要的裂缝。2)并且由于本数值模拟模型是对工程结束状态的直接建模，没有考虑到工程中预防其不均匀沉降的实际情况，故对桥台的沉降问题进行分析，其不影响结构正常使用，安全可靠。3)从总体结构看，托换大梁长度方向的两端和与桥台连接处的中间Mises应力较小，其余位置较其偏大。从力的角度看托换梁与桩连接处较为重要，故在工程中对其的施工监控应当加强保证。4)托换桩轴力随深度增加逐渐减小，在桩端处均约为0，说明桩的中上部分承担了绝大部分载荷，该桩表现出较明显的摩擦桩的特性。