吸力式桶體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋骨架失穩(wěn)研究

李亞，程澤坤

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

吸力式桶體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋骨架失穩(wěn)研究

李亞，程澤坤

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

連云港徐圩防波堤工程吸力式桶體基礎(chǔ)（SBF）為大尺寸混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，施工中鋼筋骨架容易發(fā)生失穩(wěn)?；谔卣髦登碚摵陀邢迒卧?，研究鋼筋骨架高度、邊界約束條件、鋼筋直徑等因素對(duì)骨架穩(wěn)定性的影響。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，底部約束和側(cè)向支撐可以顯著提高穩(wěn)定性；僅增加豎向鋼筋直徑不能保證穩(wěn)定性提高；采用邊界類型IV得到的穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求。提出鋼筋骨架防失穩(wěn)施工方案，實(shí)際工程驗(yàn)證了其可行性。

吸力式桶體基礎(chǔ)；鋼筋骨架；特征值屈曲；有限單元法；失穩(wěn)

1 工程概況

吸力式桶體基礎(chǔ)（Suction Bucket Foundation，簡(jiǎn)稱SBF）結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于近海工程中[1]，這種結(jié)構(gòu)主要利用桶體和地基土的相互作用提供基礎(chǔ)承載力。連云港徐圩防波提工程直立式防波堤即采用SBF結(jié)構(gòu)形式，桶體為混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面近似橢圓形（30 m×20 m），桶體內(nèi)部布置井字形格板以增加結(jié)構(gòu)整體剛度和結(jié)構(gòu)與土體之間的阻力，桶體高9 m，外壁厚400 mm，內(nèi)格板厚300 mm（見圖1）。施工中利用負(fù)壓將結(jié)構(gòu)安裝至泥面以下。

SBF結(jié)構(gòu)處于海洋環(huán)境中，荷載作用復(fù)雜，并長(zhǎng)期承受海水的化學(xué)侵蝕作用，設(shè)計(jì)中對(duì)可靠性和耐久性要求高；而SBF結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理要求其具備較大尺寸，加上本身為薄壁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致預(yù)制施工中鋼筋骨架容易失穩(wěn)，從而影響其制作質(zhì)量和受力性能。目前，規(guī)范中尚沒有鋼筋骨架穩(wěn)定計(jì)算與設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，僅有施工制作方面的規(guī)定，但鋼筋骨架如同普通鋼結(jié)構(gòu)一樣，存在失穩(wěn)問題。本文基于特征值屈曲理論，采用有限單元法研究本工程SBF結(jié)構(gòu)鋼筋骨架的穩(wěn)定性，提出實(shí)際施工中鋼筋骨架防失穩(wěn)方案。

2 結(jié)構(gòu)特征值屈曲方程

特征值屈曲基于小變形彈性理論，是一種理想線性屈曲[2-3]。結(jié)構(gòu)增量平衡方程為：

圖1 桶體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Fig.1 Structure plan and section of SBF(mm)

式中：[Ke]為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣；[Kσ（P0）]為初始荷載{P0}作用下結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣；λ為荷載因子；{ΔU}為結(jié)構(gòu)位移增量；{ΔP}為結(jié)構(gòu)外力增量。

特征值屈曲發(fā)生時(shí)滿足：{ΔP}→0，{ΔU}≠0；可得到特征值屈曲方程為[4-5]：

于是結(jié)構(gòu)屈曲分析可以歸結(jié)為求解方程（2）的特征值問題，進(jìn)一步可得臨界荷載{Pcr}=λmin{P0}（λmin為穩(wěn)定系數(shù)）。本文屈曲方程求解方法采用有限單元法[6]。

3 SFB結(jié)構(gòu)鋼筋骨架穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 計(jì)算前提條件

桶體外壁和格板的鋼筋骨架均由內(nèi)外兩層鋼筋網(wǎng)構(gòu)成，鋼筋交叉點(diǎn)采用綁扎連接。鋼筋網(wǎng)格周邊的兩行鋼筋的相交點(diǎn)全部扎牢，中間部分交叉點(diǎn)間隔交替扎牢。在有限元計(jì)算中，建立耦合約束方程保證交叉點(diǎn)處水平和豎直方向2根鋼筋上2個(gè)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度相同，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度各自獨(dú)立。鋼筋骨架底部結(jié)點(diǎn)無(wú)平動(dòng)，但是可以根據(jù)實(shí)際約束情況考慮有轉(zhuǎn)動(dòng)（鉸接）和無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)（固接）兩種情況。另外，為了提高鋼筋骨架的穩(wěn)定性，可通過設(shè)置定位支架提供沿高度分布的側(cè)向支撐點(diǎn)。本文主要考慮4種邊界條件：

邊界類型I：鋼筋骨架底部鉸接，在外壁和格板連接處設(shè)置側(cè)向支撐，如圖2（a），系列支撐點(diǎn)沿高度間距400 mm。

邊界類型II：鋼筋骨架底部鉸接，在外壁鋼筋網(wǎng)對(duì)稱面上設(shè)置側(cè)向支撐，如圖2（b），系列支撐點(diǎn)沿高度間距400 mm。

邊界類型III：鋼筋骨架底部固接，不使用定位支架。

邊界類型IV：鋼筋骨架底部固接，側(cè)向支撐設(shè)置同邊界類型I。

本工程中SBF結(jié)構(gòu)主要配筋如表1。

圖2 鋼筋骨架側(cè)向支撐Fig.2 Lateralsupport of reinforcement skeleton

表1 SBF結(jié)構(gòu)配筋統(tǒng)計(jì)表Table1 The reinforcement of SBF

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有限元計(jì)算

計(jì)算選用ANSYS 13.0軟件，采用BEAM188三維梁?jiǎn)卧M鋼筋的力學(xué)行為。鋼筋骨架有限元模型（1/4模型）平面視圖如圖3，橫格板與外壁連接處鋼筋骨架局部詳圖見圖4。

經(jīng)過有限元計(jì)算，可得到4種邊界類型情況鋼筋骨架失穩(wěn)模態(tài)如圖5。

按照原設(shè)計(jì)條件，當(dāng)綁扎高度分別為3.0 m、6.0 m、9.0 m時(shí)，鋼筋骨架穩(wěn)定系數(shù)見表2。另外，考慮將豎向鋼筋直徑由16 mm增大到18 mm，重新計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表2。

圖3 鋼筋骨架有限元模型（1/4模型）Fig.3 FEMmodelof SBF(1/4 model)

圖4 橫格板與外壁連接處局部詳圖Fig.4 Connection detailfor outer and inner wall

圖5 鋼筋骨架失穩(wěn)模態(tài)圖Fig.5 Instability modes ofthe reinforcement skeleton

表2 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table2 Results of stability coefficients

分析穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

1）隨著鋼筋骨架綁扎高度的增加，穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)與邊界類型密切相關(guān)。對(duì)于底部為剛接的邊界類型III和類型IV，穩(wěn)定系數(shù)減小，無(wú)側(cè)向支撐的類型III減小幅度遠(yuǎn)大于有側(cè)向支撐的類型IV。對(duì)于底部為鉸接的邊界類型I和類型II，穩(wěn)定系數(shù)分別呈現(xiàn)先增加后減小和逐漸增加兩種趨勢(shì)，這與綁扎高度增加帶來(lái)的整體重量以及剛度變化有關(guān)。

2）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，底部固接約束和側(cè)向支撐可顯著改善鋼筋骨架穩(wěn)定性。側(cè)向支撐宜布置在縱橫鋼筋網(wǎng)交點(diǎn)處，此時(shí)失穩(wěn)變形主要發(fā)生在縱格板鋼筋網(wǎng)，為局部失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)高；且失穩(wěn)區(qū)域內(nèi)外層鋼筋網(wǎng)呈現(xiàn)非同相變形，可通過增設(shè)拉結(jié)鋼筋進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性。側(cè)向支撐點(diǎn)布置在骨架薄弱處或無(wú)側(cè)向支撐時(shí)，結(jié)構(gòu)趨向整體失穩(wěn)形式，且內(nèi)外層鋼筋網(wǎng)呈現(xiàn)同相變形，兩者無(wú)法相

互“扶持”。

3）豎向鋼筋直徑增大到18 mm時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)與骨架底部約束類型、鋼筋綁扎高度相關(guān)。骨架底部為固接的類型III和類型IV，穩(wěn)定系數(shù)增加；骨架底部為鉸接的類型I和類型II，穩(wěn)定系數(shù)在綁扎高度為3 m和6 m時(shí)減小，綁扎高度為9 m時(shí)增加?？梢?，僅增加鋼筋直徑可以提高其單根鋼筋剛度，并不能保證骨架整體穩(wěn)定性的增加。

4）依據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)規(guī)范，采用彈性分析時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)Ks可取4.2[7]。根據(jù)計(jì)算，采用邊界類型III或類型IV且限制骨架高度3.0 m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)大于Ks，能滿足規(guī)范要求。

根據(jù)計(jì)算分析，本工程在實(shí)際施工中鋼筋骨架邊界條件按照類型IV實(shí)施，采取分層綁扎澆注方法，并保證骨架自由高度3～6 m之間（由于鋼筋骨架為施工過程中的臨時(shí)結(jié)構(gòu)形態(tài)，故穩(wěn)定安全系數(shù)要求可適當(dāng)降低），在結(jié)構(gòu)預(yù)制過程中未發(fā)生鋼筋骨架失穩(wěn)現(xiàn)象，保證了SBF結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

1）SBF結(jié)構(gòu)鋼筋骨架的穩(wěn)定性主要與骨架底部約束條件、側(cè)向支撐條件、鋼筋直徑、綁扎高度等因素有關(guān)系。底部約束條件和側(cè)向支撐條件對(duì)穩(wěn)定性有顯著影響；僅增加豎向鋼筋直徑可以提高單根鋼筋剛度，整體穩(wěn)定性能不一定得到改善，必須綜合考慮多個(gè)因素，著重改善底部和側(cè)向約束，遏制整體失穩(wěn)形態(tài)的發(fā)生，才能提高鋼筋骨架穩(wěn)定性。

2）根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，在施工中采取分層綁扎澆筑方法，邊界約束選用類型IV，并限制骨架自由高度，解決了SBF結(jié)構(gòu)預(yù)制中鋼筋骨架失穩(wěn)問題，驗(yàn)證了計(jì)算分析結(jié)論的可靠性。

3）本文的研究主要建立在線性穩(wěn)定理論基礎(chǔ)上，有限元模型中考慮了水平鋼筋相對(duì)于豎向鋼筋的形心位置偏移引起的附加力作用。由于鋼筋骨架的制作精度低于普通鋼結(jié)構(gòu)，初始缺陷程度較高，本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定誤差，但是鋼筋骨架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)穩(wěn)定計(jì)算精度要求低于普通鋼結(jié)構(gòu)，利用本文方法進(jìn)行穩(wěn)定預(yù)測(cè)基本滿足工程需要。

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Instability study on reinforcement skeleton of suction bucket foundation structure

LIYa,CHENG Ze-kun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Owing to large-size dimensions of the Suction Bucket Foundation(SBF)applied by Xuwei breakwater in Lianyungang,the reinforcement skeleton tends to lose stability during construction.Based on the eigenvalue buckling theory and finite element method,we studied the influence of the reinforcement skeleton'height,the boundary constraint,and the diameter of bar on the stability of reinforcement skeleton.It is found that,using the bottom boundary constraint and the lateral support can greatly improve stability;the increase of bar's diameter cannot guarantee more stable;the stability coefficient calculated according to boundary condition IV can meetrequirementof the nationalstandard.Additionally,construction method is presented to ensure the stability ofthe reinforcementskeleton,which has been proved effectively in practice.

suction bucket foundation;reinforcement skeleton;eigenvalue buckling;finite element method;instability

U652.74

A

2095-7874（2015）12-0033-04

10.7640/zggwjs201512008

2015-06-16

李亞（1983—），男，碩士，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析工作。E-mail：ethanharvard@qq.com