對深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的非線性有限元研究

劉清海

(河北省內(nèi)丘縣公路管理站)

1 引言

隨著交通運輸?shù)娜找姘l(fā)展，許多公路等的橋梁建設(shè)需要跨海、跨河，而支撐橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)都是浸泡在水中的，近年來船舶運輸?shù)牟粩嘣黾?，橋梁的支撐機構(gòu)基礎(chǔ)不可避免的要受到船舶的頻繁撞擊，特別是在臨海城市，因船舶的撞擊而造成的橋梁的坍塌事故層出不窮，也因此引起了社會各界的重視，人們開始注重提高橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平和技術(shù)。在以前的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計人員往往只考慮到了橋梁下部結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水平承載能力的加強而忽視了水平抗撞擊力加強，然而，隨著撞船事故的發(fā)生，橋梁設(shè)計人員逐漸意識到了必須同等考慮橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水平承載力和豎向承載力。在我國大多數(shù)的公路橋梁都有樁基，但是相關(guān)規(guī)范中僅僅明確規(guī)定了樁基豎向承載力的計算方法，對于橋梁樁基的水平抗撞擊力的計算卻沒有明確的方法，與其相關(guān)的研究成果也比較少。為了解決橋梁水平抗撞擊力的設(shè)計問題，深入分析了深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的設(shè)計與計算方法，對比了我國的規(guī)范設(shè)計思想下的計算方法，最終提出了非線性有限元分析的計算方法，并證明了此法的適用性。

2 深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的非線性有限元的計算方法分析

2.1 橋梁高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的非線性有限元的計算方法

(1)Hognestad本構(gòu)模型主要適用于無約束混凝土，其計算公式可以表示為F=0.85R/0.7，E=2.0×0.85F'/E'，其中F表示混凝土的應(yīng)力，E表示混凝土應(yīng)變，E'表示混凝土峰值應(yīng)變，F(xiàn)'指的是混凝土28d的圓柱體抗壓強度，R表示標(biāo)準(zhǔn)棱柱體(150mm×150mm×300mm)的抗壓強度。

(2)Mander模型適用于受箍筋約束的混凝土，其計算公式為F=F'(E1/E2)r/{r-1+(E1/E3)}，其中F'表示約束混凝土峰值應(yīng)力，E1表示約束混凝土應(yīng)變，E2表示峰值應(yīng)變，并且F'和E2還有各自的換算公式，可以換算出約束混凝土因為橫向的箍筋失去約束效果而形成的峰值，經(jīng)計算可知，當(dāng)約束混凝土受壓區(qū)邊緣的壓應(yīng)變達到極值時就表示截面抗彎承載能力已經(jīng)達到極限狀態(tài)。

(3)理想彈塑性模型一般用來表示鋼筋的本構(gòu)關(guān)系，可用公式表示為Q=ES(-a≤E≤a)，Q=b(a＜E≤c)，其中，a表示鋼筋的屈服應(yīng)力，b表示鋼筋的屈服應(yīng)變，E表示為彈性模量，S為混凝土應(yīng)變，c是極限應(yīng)變(c=0.1)。

2.2 橋梁高樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析模式

在橋梁高樁基礎(chǔ)計算模型中使用梁單元模擬橋梁的上部結(jié)構(gòu)、橋墩和樁基，采用承臺模擬剛性快，通過非線性彈簧描述土，并將幾何非線性因素的影響考慮在計算模型中;在此基礎(chǔ)上，計算樁—土非線性相互作用，此為對于深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力計算的關(guān)鍵性步驟，在此步驟中要考慮樁身的邊界非線性，模擬樁與砂性土之間的相互作用。結(jié)構(gòu)分析模式中涉及計算公式比較繁雜，這就要求設(shè)計人員更加仔細(xì)和耐心的完成此項工作。

2.3 深水高樁基礎(chǔ)水平抗力的計算假定與計算步驟

計算的基本假定總共包括以下四點:(1)在受力過程中保證鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)足夠牢固;(2)彎矩作用下的截面其變形符合平截面假定的要求;(3)樁基與立柱截面受壓時，受壓混凝土邊緣壓力應(yīng)該達到極限應(yīng)變，認(rèn)為截面的抗彎能力達到極限狀態(tài);(4)單元兩端間的截面內(nèi)力按線性內(nèi)插，單元剛度用單元兩端的剛度平均值表示。結(jié)合集合與材料非線性的影響，采用增量加載法完成相關(guān)計算，假定二的求解完成后，可以算出控制截面的軸力以及彎矩，然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系來判斷在此軸力和彎矩的作用下的截面的開裂狀況，再通過相關(guān)的計算得到所需數(shù)據(jù)。此次研究使用的是Cyber程序，截面受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變值控制決定截面的極限抗彎能力，截面幾乎快達到極限彎矩后會產(chǎn)生極大的變形，結(jié)構(gòu)在此時處于極限狀態(tài)，基礎(chǔ)水平抗力就等于與之對應(yīng)的水平荷載的總和。

3 實例分析

在此次的實例分析中，獲取了七里河大橋的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用非線性有限元計算方法和國家規(guī)范的計算方法進行相關(guān)數(shù)據(jù)的運算，以求證非線性有限元計算方法的實用性。

在此實例中，橋梁橋墩、承臺以及樁基等均使用的是79規(guī)范的250號混凝土，樁身的豎向鋼筋使用的是25mm的二級鋼筋，由上至下在長度為6、40以及7.4m得區(qū)段內(nèi)分別配置鋼筋72、36、18根。略微有風(fēng)化地花崗巖上的覆蓋層由下至上依次為弱風(fēng)化花崗巖、軟石、粗砂，根據(jù)交通部的先關(guān)工程及施工技術(shù)規(guī)定，以及使用材料的情況獲得所需的抗壓強度、最大摩擦阻力等的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以應(yīng)用于計算。

根據(jù)上述中關(guān)于非線性有限元的設(shè)計計算方法和國家規(guī)范設(shè)計思想下的計算方法，選擇連續(xù)的6個橋墩，分別計算，應(yīng)用非線性有限元法算出的1～6個橋墩的最大沖刷抗力依次為2000、2100、2600、2900、8300、19500，應(yīng)用基于國家規(guī)范的算法算得的數(shù)據(jù)對應(yīng)的是2050、2350、3150、3600、11950、24500。從計算結(jié)果來看，不難發(fā)現(xiàn)非線性有限元的設(shè)計計算方法和國家規(guī)范設(shè)計思想下的計算方法的計算結(jié)果具有一定的差距，但是，相比之下，采用國家規(guī)范設(shè)計思想下的計算方法得到計算結(jié)果比較大，造成這種結(jié)果的原因可能是由于國家規(guī)范設(shè)計思想下的計算方法并沒有將土的非線性性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的非線性性質(zhì)考慮在內(nèi)。進分析可知，在設(shè)計計算方法的過程中如果沒有將土的非線性性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的非線性性質(zhì)對受力情況的影響考慮在內(nèi)，那么很可能因此而使深水高樁基礎(chǔ)的水平抗擊力的估算值整體偏高，若采用此計算結(jié)果來作為橋墩抗撞擊力的設(shè)計參數(shù)就一定會造成較大的安全隱患。而本文中提出的深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的非線性有限元計算方法，全面的考慮了包括土的非線性性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的非線性特性在內(nèi)的各種影響深水高樁基礎(chǔ)的水平抗擊力估算值的因素，保證了橋梁深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的估算值的準(zhǔn)確性，是一種較為準(zhǔn)確、合理、安全的橋梁防撞設(shè)計的計算方法，適用于橋梁深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的計算。

4 總結(jié)

通過對深水高樁基礎(chǔ)的抗撞擊力的研究，并綜合考慮土的非線性性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的非線性特性等因素對于橋梁支撐結(jié)構(gòu)的受力影響，樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力的計算提出了有利于提高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力計算準(zhǔn)確性的非線性有限元設(shè)計計算方法，并將其應(yīng)用到實際橋梁工程的設(shè)計計算中，與國家規(guī)范思想下的計算方法算出的結(jié)果進行對比和分析，證明了非線性有限元計算方法對于深水高樁基礎(chǔ)水平抗撞擊力計算的切實可行性和合理性。

隨著交通運輸?shù)娜找姘l(fā)展，許多公路的橋梁建設(shè)需要跨海、跨河，而支撐橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩一般都是浸泡在水中的，再加上近年來船舶運輸?shù)牟粩嘣黾?，橋墩受到船舶的撞擊力不斷增加，?yán)重影響到了橋梁支撐結(jié)構(gòu)的安全性。非線性有限元設(shè)計計算方法雖說能夠跟好的計算樁基礎(chǔ)的水平抗撞擊力，但還需要不斷實踐，面對新的挑戰(zhàn)仍需要研發(fā)更加合理和科學(xué)的橋梁基礎(chǔ)防撞設(shè)計，拓展更大的研究空間，進一步優(yōu)化深水高樁基礎(chǔ)橋梁的防撞設(shè)計，提高其安全性能。

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