水平載荷下群樁效應對導管架平臺結構計算的影響

劉 毅，楊樹耕，潘 陽，車曉旭

（天津大學建筑工程學院，天津300072） ①

水平載荷下群樁效應對導管架平臺結構計算的影響

劉 毅，楊樹耕，潘 陽，車曉旭

（天津大學建筑工程學院，天津300072） ①

考慮群樁效應，分析了導管架平臺在水平載荷作用下樁土間相互作用的計算原理。在ANSYS軟件中結合p－y曲線法，對某導管架平臺分別建立了考慮和不考慮群樁效應的非線性有限元模型，以及泥面下6倍樁徑處加固支的簡化模型。通過對比3者的計算結果，得出群樁效應影響導管架平臺結構計算的有關結論。

導管架平臺；群樁效應；ANSYS；非線性

隨著樁基導管架平臺的不斷興建及其工作水深的日益增加，樁基礎得到了廣泛應用。在較深的海域，導管架樁基承受著較大的水平載荷，此時對樁基礎的受力特性進行研究就顯得尤為重要。天津大學齊志會、張建勇等對海洋平臺單樁的樁土相互作用進行了深入分析［1－3］，但對群樁涉及較少。對于群樁支承的導管架結構，由于群樁效應使土體存在應力疊加和位移重疊問題，使地基土的性質發(fā)生很大的變化，單樁分析已不能滿足其結構計算的要求。本文應用ANSYS有限元軟件對某群樁式導管架平臺進行了3種方式的模擬，分別為考慮群樁效應和不考慮群樁效應的非線性模型，以及工程中常用的泥面下6倍樁徑處加固支的簡化模型。通過比較3者計算結果，得出群樁效應對導管架平臺結構計算的影響及可行的有限元模擬方法。

1 水平載荷作用下樁土相互作用計算原理

1.1 單樁p－y曲線法

計算水平承載樁的樁土相互作用有3種方法：極限平衡法、彈性地基反力法和p－y曲線法。前2種方法都是假設載荷與位移之間呈線性關系，事實上這種理論只有在位移較小的情況下才成立。對于海洋平臺的樁結構，由于位移較大，采用非線性彈性模型更適宜。p－y曲線法就是一種建立在非線性彈性模型基礎上的計算方法，它通過現(xiàn)場試樁或與室內試驗相關的方法直接給出各類土的p－y曲線。假設地基土符合Winker模型，可依靠割線模量建立起p－y之間的關系，即

式中，p為樁側土抗力；Es為割線模量；y為位移。Es與深度z和位移y有關，即

p－y曲線法就是通過Es隨z和y（或p）的變化反應了樁周土受力后的非線性特征。當給出某種土沿深度分布的p－y曲線，就可以利用迭代法求得式（1）的解。雖然p－y曲線法存在一些缺陷，但它是目前計算大變位下受水平力的最實用的方法，目前廣泛應用于海上固定平臺的樁基設計中［4］。

1.2 群樁p－y曲線法

對于導管架平臺，如果其群樁的中心距＜8倍樁徑，樁的入土深度＜10倍樁徑，p－y曲線應考慮群樁效應的影響［5］。這是因為群樁不同于單樁，其樁的變形和群樁間土體塑性區(qū)的交叉重疊主要發(fā)生在樁入土的上部，隨著入土深度的增加，前后樁土反力差別越來越小。由于樁與樁之間的這種相互影響，群樁基礎的位移大于單樁，水平承載力也會降低。

在實際的海洋工程中通常只提供單樁的p－y曲線，群樁的p－y曲線需要對單樁的曲線加以修正而推求。楊克己等人提出了一種求得群樁p－y曲線的方法，以S0＝8d和z＝10d作為群樁效應產生影響的邊界條件，用優(yōu)選曲線法建立了群樁土抗力折減系數(shù)α的經驗公式［6］為

式中，α為土抗力的折減系數(shù)；S0為樁距，m；d為樁徑，m；z為樁入土深度，m；H為樁頭所受的水平載荷，H≥He；He為樁的臨界載荷；Hu為樁的極限載荷。

當H＜He時，可不計載荷對折減系數(shù)α的影響，即

2 群樁效應下導管架平臺的結構計算

2.1 ANSYS中樁土相互作用的模擬方法

應用ANSYS有限元軟件對水平載荷作用下樁土相互作用進行分析時，可結合p－y曲線法，依據(jù)現(xiàn)場海底土壤的性質和分層狀況，將樁身受到的土反力作用簡化為一系列與樁在x、y向垂直的等效集中的非線性彈簧，彈簧用COMBIN39單元模擬，這樣就實現(xiàn)了樁土相互作用的ANSYS表達［7］。

COMBIN39是一種具有非線性廣義力－變形能力的軸向單元。計算前首先要獲得分析對象所在海域土質的p－y曲線數(shù)據(jù)，群樁情況下要根據(jù)式（3）或式（5）對p－y曲線進行折減。再將樁結構隨深度劃分單元，針對每個深度所對應的土層建立COMBIN39單元。把不同深度下土壤的p－y曲線數(shù)據(jù)作為離散點來明確定義該COMBIN39單元的力－變形（F－D）曲線。在輸入實常數(shù)時，F(xiàn)對應p，D對應y。每條曲線需定義20個這樣的離散點，隨后即可對導管架平臺進行非線性有限元分析。

2.2 導管架平臺基本數(shù)據(jù)

圖1是某導管架平臺的底層平面布置示意圖，工作水深為200.07m，平臺下部共有16根大直徑的鋼管樁，直徑d＝2.686m，入泥深度140m。鋼材選用Q235鋼，彈性模量E＝2.06×1011Pa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg／m3。樁頂按順序編號為1～16。由于每根導管架腿周圍的4根群樁中心距S0都為10.524m，距徑比僅3.918，根據(jù)文獻［5］，計算時需要考慮這16根樁的群樁效應。

圖1 群樁及導管架平面示意

2.3 群樁土抗力折減系數(shù)

為了分析群樁效應對導管架平臺結構計算的影響，本文同時建立了此平臺考慮和不考慮群樁效應的非線性模型和泥面下6倍樁徑處加固支的簡化模型以作比較。在考慮群樁效應的非線性模型中，10倍樁徑（27m）以內的樁段要對直接提供的p－y曲線進行折減，計算得土抗力折減系數(shù)如表1所示。

表1 土抗力折減系數(shù)

2.4 有限元模型建立

3種模型的導管架主體用PIPE59單元模擬，泥面下樁用PIPE16單元模擬。非線性模型的土反力作用以COMBIN39單元模擬。非線性模型和簡化模型分別如圖2～3所示。

非線性模型中要耦合每根導管架腿與其周圍的4根樁腿之間的全部自由度，并約束所有非線性彈簧外側節(jié)點的全部自由度，僅約束樁腿底端節(jié)點的z向自由度，這樣可使力的傳遞更符合實際。簡化模型中省略了群樁，直接把導管架腿延伸到泥面下6倍樁徑處加固支。

2.5 計算工況及載荷組合

本文僅取此導管架平臺在自存狀態(tài)下的環(huán)境條件為例進行計算。對3種模型施加3個工況下的載荷，以總結計算結果的規(guī)律。

1） 工況一 自存狀態(tài)下波流力（0°）＋風力（0°）＋平臺上部結構重力＋浮力。

2） 工況二 自存狀態(tài)下波流力（45°）＋風力（45°）＋平臺上部結構重力＋浮力。

3） 工況三 自存狀態(tài)下波流力（90°）＋風力（90°）＋平臺上部結構重力＋浮力。

圖2 非線性模型示意

圖3 簡化模型示意

3 計算結果及分析

考慮群樁效應的非線性模型是3種模型中唯一考慮群樁效應的，本文以其為標準，與其他2種模型的計算結果分別作對比，得到群樁效應對導管架平臺結構計算的影響。

3.1 群樁效應對導管架平臺整體結構計算的影響

表2～5分別為考慮群樁效應的非線性模型和其他2種模型在導管架平臺整體結構最大位移和最大應力上的對比。

由以上結果可知：對于導管架整體結構的位移和應力，在2個非線性有限元模型中，考慮群樁效應比不考慮的結果分別平均增加1.74%和減少0.01%，幾乎相等；考慮群樁效應的非線性模型比簡化模型的結果平均增加34.43%和減少9.92%，可見群樁效應對簡化模型計算結果的影響較大。由此可知，當考慮導管架平臺的群樁效應時，簡化模型在整體結構計算中誤差較大。因此，在導管架平臺整體結構的初步方案設計中，有2種非線性模型是較為可行的。

表3 導管架平臺整體結構最大位移（二）

表4 導管架平臺整體結構最大應力（一）

表5 導管架平臺整體結構最大應力（二）

3.2 群樁效應對樁基局部結構計算的影響

表6～7分別為2個非線性模型在導管架樁基最大位移和最大應力的對比。

表6 樁基最大位移

表7 樁基最大應力

由以上結果可知：在2個非線性模型中，群樁效應對于樁基產生最大位移和應力的位置沒有影響，但是對計算結果影響較大，平均增幅分別高達10.39%和7.29%?？梢?，在設計或校核導管架平臺樁基時，考慮群樁效應更趨于安全和準確。因此，在導管架平臺的樁基局部結構計算中，應使用考慮群樁效應的非線性模型。

4 結論

1） 在ANSYS有限元軟件中分別建立了考慮群樁效應和不考慮群樁效應的非線性模型，以及工程中常用的泥面下6倍樁徑處加固支的簡化模型，對某導管架平臺進行了整體結構和樁基局部計算。證明群樁效應對導管架平臺的結構計算有影響。

2） 采用COMBIN39非線性彈簧單元集中等效地模擬土反力作用是可行的。

3） 在導管架平臺的整體結構計算中，群樁效應對簡化模型影響較大，誤差明顯。此時2種非線性模型是較可行的模擬方法。

4） 在導管架平臺樁基的局部結構計算中，由于2種非線性模型計算結果相差較大，群樁效應不可忽略，此時考慮群樁效應的非線性模型是較為可行的模擬方法。

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Influence of Pile Group Effect on the Structure Calculation of Jacket Platform under Lateral Loads

LIU Yi，YANG Shu－geng，PAN Yang，CHE Xiao－xu
（School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Considering the pile group effect，the calculation principle of pile－soil interaction was analyzes when the Jacket platform was under lateral loads.Using the p－ycurve method，nonlinear finite element models of jacket platform considering was built and not considering the pile group effect，a simplified model with unmoved hinged supported in 6times the pile diameter under the mud in the ANSYS software.By comparing the results of the three，some conclusions were drawn for the influence of pile group effect on the structure calculation of jacket platform.

jacket platform；pile group effect；ANSYS；nonlinear

1001－3482（2012）08－0026－04

TE952

A

2012－02－15

劉 毅（1987－），女，山西太原人，碩士研究生，主要從事船舶與海洋結構物設計制造方面的研究，E－mail：liuyi－0704＠163.com。