基于Abaqus的采用p－y曲線法進(jìn)行多種截面鋼管樁受力性能對比分析

文 | 劉莉媛，孫繼棟

基于Abaqus的采用p－y曲線法進(jìn)行多種截面鋼管樁受力性能對比分析

文 | 劉莉媛，孫繼棟

背景

一、鋼管樁基礎(chǔ)概況

鋼管樁基礎(chǔ)具有承載力高、沉降小且均勻、抗震性能好等特點(diǎn)，能夠較好地同時承受豎向荷載、水平荷載以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的振動或動力作用，可打入較深的持力層。隨著我國鋼材產(chǎn)量的增加，鋼管樁防腐技術(shù)以及新材料的研發(fā)，特別是針對近海惡劣的環(huán)境條件和地質(zhì)條件，鋼管樁以其較大的承載力、相對簡單的沉樁工藝、較小的排土量與良好的受力性能，在海上、陸上風(fēng)電場及海港工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，單樁鋼管樁基礎(chǔ)呈現(xiàn)出直徑不斷增大、入土深度不斷加深的發(fā)展趨勢，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)也逐步由豎向承載力控制過渡到樁水平變位的有效控制。但受到施工運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備及鋼板Z向性能等的制約，鋼管樁的直徑和壁厚不能無限制的增大。為了使有限用鋼量下的鋼管樁發(fā)揮其最優(yōu)的性能，降低鋼板厚度，本文提出了多種樁截面形式，并針對鋼管樁在泥面下一定深度內(nèi)力最大的受力特點(diǎn)，將鋼管樁進(jìn)行分段，每段截面采用不同的形式，對各種截面不同分段組合的鋼管樁的受力性能進(jìn)行了對比分析。

二、鋼管樁承載力分析方法

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)鋼管樁不僅承受自身和上部結(jié)構(gòu)的自重等豎向荷載，還要承受環(huán)境荷載導(dǎo)致的水平荷載和彎矩，對于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)而言，水平荷載和彎矩的影響要遠(yuǎn)大于豎向荷載。樁基水平承載力的計(jì)算方法主要有彈性分析法、復(fù)合地基反力法和數(shù)值計(jì)算法。在較大水平荷載條件下，一般采用彈塑性分析模型，目前應(yīng)用較為廣泛的是基于復(fù)合地基反力法的p－y曲線理論。該理論認(rèn)為，當(dāng)彈性樁樁頂受到水平荷載時，樁附近的土體從表面開始屈服，塑性區(qū)逐漸向下發(fā)展，p－y曲線法在土體塑性區(qū)采用極限地基反力法，在土體彈性區(qū)采用彈性地基反力法，能較好地模擬樁與土體的相互作用。p－y曲線法能如實(shí)地反映土的非線性屬性，是工程界和學(xué)術(shù)界普遍使用的一種計(jì)算方法。

對于p－y曲線的研究最早可追溯至Focht和McClelland（1956），兩位學(xué)者就試樁的實(shí)測反力－變位曲線與土的固接不排水室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行對比研究。Matlock（1970）和Reese（1971）分別基于現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)給出了軟粘土和砂土的p－y曲線公式，Reese（1975）給出了硬粘土的計(jì)算公式?；谝陨蠈W(xué)者的研究，p－y曲線法在各國都得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，我國從上世紀(jì)80年代開始對p－y曲線進(jìn)行研究。

目前國內(nèi)外的研究和工程設(shè)計(jì)主要還是基于美國石油學(xué)會的API規(guī)范中對于p－y曲線的描述，挪威船級社DNV規(guī)范中也有類似的規(guī)定，中國海洋石油總公司等采用美國石油學(xué)會發(fā)布的API規(guī)范作為石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，本文基于Abaqus有限元軟件，對于土約束的模擬采用p－y曲線法（基于API規(guī)范），對多種截面形式以及分段組合的鋼管樁在設(shè)計(jì)荷載下的受力性能進(jìn)行了對比分析。

有限元模型

有限元模型建模時，某一方向尺度（長度方向）明顯大于其它兩個方向的尺度，并且以縱向應(yīng)力為主的結(jié)構(gòu)，可以用梁單元進(jìn)行模擬。但考慮到鋼管樁在水平荷載作用下，會受到土對樁側(cè)產(chǎn)生的反力，圓管截面自身形狀會因此發(fā)生改變，因此，當(dāng)鋼管樁截面不再為純圓管時，殼單元模型便成了較好的選擇。因此，本節(jié)在用鋼量幾乎相同的前提下，針對不同截面形式和分段組合的鋼管樁，采用殼單元模型進(jìn)行建模，對鋼管樁在相同荷載和相同土約束下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

一、基本參數(shù)

鋼管樁模型分為過渡段和樁身兩部分，過渡段高10m，直徑4.5m－6m由上至下漸變，壁厚60mm；樁身長70m，直徑6m，壁厚70mm，泥面以上樁長21m，泥面以下樁長49m，地基各土層參數(shù)見表1。依據(jù)API規(guī)范公式，推導(dǎo)出各土層的p－y曲線，作為Abaqus有限元軟件的參數(shù)，輸入樁身加載方向一側(cè)非線性彈簧約束中，來模擬土與鋼管樁的相互作用關(guān)系。通過分析，最大設(shè)計(jì)內(nèi)力截面位于泥面下4.4m左右，因此樁身加強(qiáng)段定位泥面以上5m至泥面以下15m之間的部分（某些分段組合方式將加強(qiáng)段延伸至樁頂，以保證泥面以上樁身的水平剛度，控制水平位移），因此樁身被分為三段，樁上段長16m，中段長20m，下段長34m。

設(shè)計(jì)荷載的選取，應(yīng)遵循樁基設(shè)計(jì)的首要原則，按照下列兩類極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)指樁基達(dá)到最大承載力、整體失穩(wěn)或發(fā)生不適于繼續(xù)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)指樁基達(dá)到建筑物正常使用所規(guī)定的變形限值或達(dá)到耐久性要求的某項(xiàng)限值。對于樁基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，應(yīng)采用極端荷載工況，對于結(jié)構(gòu)變形的驗(yàn)算，則應(yīng)采用正常運(yùn)行工況。將設(shè)計(jì)荷載等效至塔筒底部位置施加于有限元模型中，荷載取值如表2。

二、截面類型與組合

傳統(tǒng)的鋼管樁為純圓管截面，為保證其穩(wěn)定性，規(guī)范對其最小壁厚作了明確的規(guī)定。API規(guī)范中規(guī)定樁的全場內(nèi)的D/t比值應(yīng)足夠小，以防止應(yīng)力在達(dá)到樁材料的屈服強(qiáng)度前樁體發(fā)生局部屈曲，采用的最小樁壁厚度不應(yīng)小于下面的兩個標(biāo)準(zhǔn)。

其中，t為壁厚，D為直徑。

根據(jù)國內(nèi)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017－2003》，隨著鋼材厚度的加大，需要考慮Z向性能的影響，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度有所降低，因此，為了提高鋼材的利用率，減小樁身鋼材厚度，在樁身受力較大的范圍內(nèi)設(shè)置加勁肋，以保證降低壁厚不會導(dǎo)致局部屈曲發(fā)生。通過計(jì)算，增設(shè)加勁肋的確可以明顯降低鋼管樁壁厚，同時也應(yīng)保證加勁肋自身的穩(wěn)定性能。

通過對各種形式截面的鋼管樁對比分析發(fā)現(xiàn)，縱向加勁肋可以約束鋼管樁壁，但其自身穩(wěn)定性不夠，因此需增設(shè)內(nèi)環(huán)鋼管。另外，經(jīng)過計(jì)算分析，縱向圓弧形加勁肋有著較好的穩(wěn)定性，因此選擇了4圓弧肋和5圓弧肋兩種截面類型?？紤]到水平荷載的作用方向，將4圓弧肋截面旋轉(zhuǎn)45度角后進(jìn)行計(jì)算，各種截面形式如表3所示。

表1　地基土層參數(shù)表

表2　荷載工況及荷載取值

表3　截面類型

對于各種截面的組合，由于樁身較深處內(nèi)力較小，可將其下段壁厚減薄。本文選用的進(jìn)行計(jì)算分析的截面類型及其組合為表4所示的A－E共五種截面組合類型，表中括號中數(shù)值為鋼管樁外壁厚度，其余加勁肋厚度不再贅述。

三、模型的建立

模型采用Abaqus有限元軟件中的S4R殼單元，過渡段為圓臺形狀，各部分分別賦予鋼板壁厚即可。由于殼單元模型中鋼管樁側(cè)壁為殼面，施加非線性彈簧約束時，為保證不發(fā)生約束節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中，劃分單元時單元應(yīng)盡量小，而且需將彈簧施加至所有單元節(jié)點(diǎn)。樁頂施加荷載時，將頂端圓形邊界自由度耦合至圓心處定義的參考點(diǎn)，將荷載施加于此參考點(diǎn)上。各種截面組合的鋼管樁如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

表4　截面組合類型

表5　各截面組合類型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1　A型鋼管樁模型示意

圖2　B型鋼管樁模型示意

圖3　C、D型鋼管樁模型示意

圖4　E型鋼管樁模型示意

圖5　A型鋼管樁應(yīng)力云圖

圖6　B型鋼管樁應(yīng)力云圖

圖7　C型鋼管樁應(yīng)力云圖

圖8　D型鋼管樁應(yīng)力云圖

圖9　E型鋼管樁應(yīng)力云圖

圖10　分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

有限元分析結(jié)果

A－E五種組合形式的鋼管樁在設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果如表5所示。設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力云圖如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見圖10所示。

由圖10可以看出，A型（上段中段70mm壁厚，下段50mm壁厚）、C型（4圓弧肋）和D型（4圓弧肋－轉(zhuǎn)45°）三種鋼管樁截面組合類型的計(jì)算結(jié)果較為接近，其他三種截面組合類型應(yīng)力和位移結(jié)果均較A型、C型和D型偏大。

對于4圓弧肋的截面形式，由于D型相對C型截面旋轉(zhuǎn)45度角，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以應(yīng)力和位移結(jié)果較大者作為此種截面形式的保守結(jié)果，因此以C型結(jié)果作為4圓弧肋截面形式的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

通過p－y曲線法對多種截面和組合類型鋼管樁模型的承載性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論和建議：

（一）在用鋼量一定的前提下，增設(shè)加勁肋可提高鋼管樁穩(wěn)定性能，從而可以減小壁厚，減少超厚鋼材的使用。

（二）A型、C型和D型兩種鋼管樁截面組合類型的計(jì)算結(jié)果較好，其他截面組合類型應(yīng)力和位移結(jié)果均偏大；綜合考慮，C型截面組合類型在用鋼量相同的情況下，可有效減小圓鋼管的壁厚。

（三）由于A型鋼管樁上段和中段采用了70mm壁厚鋼管，此時鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有所降低，但D型截面中采用的圓弧形加勁肋，使得鋼管樁加工難度增大，焊接等工作量增加，設(shè)計(jì)時可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

（作者單位：龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司）