基于sap2000的鋼管樁基礎(chǔ)承載力分析

張文遠(yuǎn)

（中交第三公路工程局有限公司，北京 100107）

0 引言

鋼管樁由于具有較強(qiáng)的抗沖擊性能和較高的承載力，以及施工工藝簡(jiǎn)單、回收方便等優(yōu)點(diǎn)，在建筑施工臨時(shí)設(shè)施的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

赤道幾內(nèi)亞Mbini大橋臨時(shí)施工鋼棧橋基礎(chǔ)采用直徑為63cm的鋼管樁，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中利用有限元分析軟件sap2000對(duì)鋼管樁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出鋼管樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按照m法進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)計(jì)算方法安全可靠。

本論文對(duì)鋼管樁的受力分析計(jì)算的方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，希望能夠?qū)V大工程技術(shù)人員的工作起到指導(dǎo)借鑒作用。

1 鋼管樁有限元計(jì)算

1.1 計(jì)算荷載

1.1.1 樁頂上部結(jié)構(gòu)自重

按照Mbini大橋鋼棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)自重為51.368kN。

1.1.2 棧橋設(shè)計(jì)荷載

Mbini大橋臨時(shí)鋼樁橋設(shè)計(jì)荷載為50t履帶吊荷載+25t吊重荷載，合計(jì)75t。

1.1.3 風(fēng)荷載

赤道幾內(nèi)亞最大風(fēng)速取V=14m/s[1]。風(fēng)荷垂直作用于棧橋上，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ 215—98），風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

w0——基本風(fēng)壓，kPa，w0＝v2/1600；

V——港口附近的空曠平坦地面距地面10m高、30年一遇10min平均最大風(fēng)速，m/s。

wk=μsμzw0=1.0×1.17×0.1225=0.413kPa

1.1.4 作用在鋼管上的水流力

水流力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Pw=Cw（ρ/2）V2B（擬以線荷載形式輸入）

式中：Pw——水流力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；

V——水流設(shè)計(jì)流速，m/s，取斷面平均流速v=3m/s。

Cw——水流阻力系數(shù)；

ρ—水的密度，1.0t/m3；

B——鋼管樁寬度（即直徑），B=0.63。

考慮前后墩之間的水流遮擋效應(yīng)產(chǎn)生的折減，則有：

查《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ 215—98）表13.0.3-2得后樁m1=0.63，前墩為1。

查（JTJ 215—98）表13.0.3-5得后樁m2=1。

墩柱相對(duì)水深影響系數(shù)：

考慮以上所有修正后，迎水面管樁計(jì)算公式為：

后排管樁計(jì)算公式為：

前排Φ630×8：

轉(zhuǎn)換為集中力：

Fw=2.07×17.77=36.8kN，作用點(diǎn)高程H=18.41m后排Φ630×8：

轉(zhuǎn)換為集中力：

Fw=1.7×17.77=30.2kN，作用點(diǎn)高程H=18.41m

1.2 荷載組合

荷載組合公式為：1.2×結(jié)構(gòu)自重+1.1×履帶吊工作荷載+水流荷載+風(fēng)載[2]

1.3 鋼管樁計(jì)算模型及內(nèi)力分析

采用sap2000建立模型（見圖1），施加荷載進(jìn)行內(nèi)力分析（見圖2）。

圖1 鋼管樁受力模型

圖2 鋼管樁位移圖

鋼管樁在地面線位置（河床頂面）所受最大內(nèi)力如下：

最大彎矩M0=260kN·m；

最大剪力Q0=49kN；

最大軸力Nmax=898.96kN。

采用m法求Mmax，過(guò)程見表1。

表1 m法計(jì)算結(jié)果表

以Mmax=367.5kN·m、Nmax=899kN為復(fù)核內(nèi)力求最大應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。

鋼管樁Wx=0.0051m3， A=0.0158m2， Ix=404638 cm4，

強(qiáng)度復(fù)核：

強(qiáng)度驗(yàn)算：

強(qiáng)度驗(yàn)算：

驗(yàn)算時(shí)主要構(gòu)件取Q235鋼材允許強(qiáng)度。

2 摩擦樁承載力復(fù)核

對(duì)于按照此方法計(jì)算的摩擦樁需進(jìn)行豎向承載力驗(yàn)算，端承樁豎向承載力不予復(fù)核。

豎向承載力驗(yàn)算公式為：

式中：Qd——單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值，k N；

U——樁身截面周長(zhǎng)，m；

qfi——單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa[4]；

Li——樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m；

qR——單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

A——樁身截面面積，m2；

γR——單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)工程具體情況分析確定，取1.6。

設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)取30m，經(jīng)計(jì)算，得：

Qd=630kN＞Nmax=600kN，符合要求。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者多年從事橋梁工程施工和建筑施工臨時(shí)設(shè)施設(shè)計(jì)工作，通過(guò)對(duì)諸多臨時(shí)工程的樁基設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，總結(jié)了基于sap2000的鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)Mbini大橋臨時(shí)鋼棧橋的實(shí)踐檢驗(yàn)和傳統(tǒng)計(jì)算方法的對(duì)比復(fù)核，計(jì)算方法值得在鋼管樁基礎(chǔ)的施工設(shè)計(jì)過(guò)程中借鑒和應(yīng)用。

[1]中國(guó)路橋工程有限公司.赤道幾內(nèi)亞Mbini大橋施工圖設(shè)計(jì)第三冊(cè)測(cè)量地勘[Z].北京：中國(guó)路橋工程有限公司，2010.

[2]JTJ 215—98，港口工程荷載規(guī)范[S].

[3]JTJ 248—2001，港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].