啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

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啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)在船撞作用下受力分析

郝 翠 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

以某斜拉橋啞鈴型群樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，運(yùn)用Midas-civil及Ansys有限元計(jì)算軟件，分析了啞鈴型群樁基礎(chǔ)在船撞荷載工況作用下的水平向受力規(guī)律，計(jì)算結(jié)果表明數(shù)值模擬分析結(jié)果與傳統(tǒng)“m”法計(jì)算存在較大差別，有限元分析結(jié)果更符合實(shí)際情況。

群樁基礎(chǔ)，水平荷載，船撞力，有限元分析

1 概述

橋梁基礎(chǔ)承受豎向荷載和橫向荷載。豎向荷載主要是恒載自重，橫向荷載主要有活載的偏心產(chǎn)生的彎矩、汽車制動(dòng)力產(chǎn)生的水平力和彎矩、支座摩阻力、風(fēng)荷載、地震作用下產(chǎn)生的水平力和彎矩及通航河流中船舶的碰撞力等。對(duì)于中小跨徑的常規(guī)橋梁基礎(chǔ)計(jì)算分析時(shí)，其橫向荷載通常僅考慮活載偏心產(chǎn)生的彎矩、汽車制動(dòng)力產(chǎn)生的水平力和彎矩及支座摩阻力等的作用。這其中汽車制動(dòng)力、支座摩阻力等荷載在水平荷載驗(yàn)算中多數(shù)能滿足要求，而對(duì)于由地震作用和船舶撞擊產(chǎn)生的水平荷載，則多數(shù)情況下成為大型群樁基礎(chǔ)的控制性荷載。本文針對(duì)某斜拉橋橋塔群樁基礎(chǔ)，應(yīng)用有限元分析軟件，計(jì)算了在船撞作用下群樁基礎(chǔ)的水平承載力分配規(guī)律，研究了群樁基礎(chǔ)水平承載特性，對(duì)于群樁基礎(chǔ)橋梁設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，并且對(duì)大型橋梁基礎(chǔ)的防撞研究具有一定指導(dǎo)意義。

2 工程背景

某斜拉橋?yàn)榭缃髽颍瑯蛭惶幩闆r比較復(fù)雜，水流流速較大，航運(yùn)繁忙；可通航水域廣，主塔基礎(chǔ)布置不能回避深水區(qū)及船舶撞擊；該水域通航船舶的噸位大、密度高、撞擊力大，位于航道中的橋墩與船舶的碰撞問(wèn)題突出。根據(jù)相關(guān)船舶撞擊專題研究資料，大橋南塔基礎(chǔ)橫橋向船舶撞擊力達(dá)39.61MN，順橋向船舶撞擊力達(dá)19.81MN。

該橋橋塔基礎(chǔ)采用啞鈴型承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)按端承樁設(shè)計(jì)。承臺(tái)尺寸80.3m×29.8m，承臺(tái)厚8.0m，封底混凝土厚3.0m。承臺(tái)下設(shè)36根鉆孔灌注樁?；A(chǔ)平面布置見圖1。承臺(tái)采用C35混凝土，樁基采用C30水下混凝土，樁基鋼護(hù)筒采用Q235C鋼材。

3 船撞力分析

3.1 荷載工況

橫橋向船撞力作用下，可認(rèn)為承臺(tái)整體受力；在順橋向船撞力作用下，由于船舶撞擊點(diǎn)集中在單側(cè)塔柱上，需考慮啞鈴型承臺(tái)不同部位承受船撞力的比例情況。目前對(duì)于啞鈴型承臺(tái)的群樁基礎(chǔ)船撞作用下群樁承載力分配問(wèn)題的研究還較少，本文對(duì)于船撞力分配準(zhǔn)則的研究，主要通過(guò)擬靜力的方式，將船撞力等效簡(jiǎn)化為靜力進(jìn)行加載分析。計(jì)算時(shí)考慮橫橋向船舶撞擊(1wt)的工況：恒載+基礎(chǔ)變位+船舶撞擊(1wt橫向)+活載(豎向力最大)+制動(dòng)力+有車風(fēng)荷載+溫度作用，以下簡(jiǎn)稱為“驗(yàn)算工況”。

3.2 船撞力分配規(guī)律分析

1)Midas-civil計(jì)算模型見圖2。

建立全橋計(jì)算模型，對(duì)樁基及承臺(tái)進(jìn)行了模擬。主梁、主塔、墩柱、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)等均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用拉索單位模擬。樁底按固結(jié)考慮，支座位置按照實(shí)際布置進(jìn)行模擬自由度。

承臺(tái)采用分離式+系梁的方式，每個(gè)圓形承臺(tái)和其下面的樁基剛性連接，系梁和其對(duì)應(yīng)的樁基礎(chǔ)剛接，系梁及承臺(tái)采用層模擬的方式，每層厚2m，共8m高。

從Midas-civil計(jì)算結(jié)果可以看出，“驗(yàn)算工況”作用下，被撞擊一側(cè)承臺(tái)樁基承擔(dān)84.8%撞擊力；中間橫系梁和另一側(cè)承臺(tái)共承擔(dān)近15.2%。計(jì)算時(shí)順橋向船撞組合可偏安全考慮，按照一半承臺(tái)分配85%撞擊力進(jìn)行計(jì)算。順橋向撞擊力單獨(dú)作用下順橋向樁基剪力圖見圖3。

2)Ansys分析軟件計(jì)算結(jié)論。

Ansys分析時(shí)，僅模擬承臺(tái)及樁基礎(chǔ)，邊界條件考慮樁底固結(jié)。計(jì)算模型中承臺(tái)及樁基礎(chǔ)均采用Beam188梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬(見圖4)。

為研究不同樁長(zhǎng)對(duì)船撞力作用時(shí)分配情況的影響，本次計(jì)算時(shí)選取樁長(zhǎng)為85m與20m的兩種情況。

從圖5可以得出：“驗(yàn)算工況”作用下，被撞擊一側(cè)承臺(tái)樁基承擔(dān)近70%撞擊力；承臺(tái)中間橫系梁和另一側(cè)承臺(tái)共承擔(dān)30%，其中系梁范圍內(nèi)的樁基承擔(dān)了14%，其余由另一側(cè)承臺(tái)樁承擔(dān)。

從圖6可以得出：“驗(yàn)算工況”作用下，被撞擊一側(cè)承臺(tái)樁基承擔(dān)近85%撞擊力；中間橫系梁和另一側(cè)承臺(tái)共承擔(dān)15%，其中系梁范圍內(nèi)樁基承擔(dān)了11%，其余由另一側(cè)承臺(tái)樁承擔(dān)。因此計(jì)算順橋向船撞組合偏安全考慮，按照單側(cè)一半承臺(tái)分配85%撞擊力進(jìn)行計(jì)算。

從以上兩個(gè)軟件不同方式的模擬分析，Ansys和Midas-civil計(jì)算模型均可得出一半承臺(tái)分配85%撞擊力進(jìn)行計(jì)算是較為合理的；對(duì)于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況，承臺(tái)分配的撞擊力有所降低。

3.3 樁基受力分析

基礎(chǔ)在承臺(tái)底荷載作用下，一般角樁的受力較大，最為不利。以下僅列出最不利角樁計(jì)算結(jié)果作為控制性計(jì)算結(jié)果。樁基整體規(guī)模除了結(jié)構(gòu)本身以外受船撞作用組合控制，樁基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿足要求是對(duì)樁基規(guī)模驗(yàn)算的主要指標(biāo)。

本次計(jì)算按照該規(guī)范要求采用“m”法進(jìn)行樁身內(nèi)力計(jì)算。在取得樁身內(nèi)力的基礎(chǔ)上，按照J(rèn)TGD62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中第5.3.9條驗(yàn)算圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件正截面抗壓承載能力。在橫橋向順橋向與船撞組合作用下，受力最不利樁基承載能力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 橫橋向樁身截面強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1)傳統(tǒng)樁基的計(jì)算方法“m”法，水平剪力按照樁基數(shù)量進(jìn)行均勻分配，不適用于大型群樁計(jì)算，綜合本文對(duì)斜拉橋啞鈴型群樁基礎(chǔ)在船撞作用下水平受力分析可知，數(shù)值分析模擬與“m”法存在很大差異性，且數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際；

2)船撞作用下，啞鈴型承臺(tái)一半承臺(tái)按照分配85%撞擊力進(jìn)行計(jì)算是較為合理的；對(duì)于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況，承臺(tái)分配的撞擊力有所降低；

3)在船舶撞擊力作用下，群樁基礎(chǔ)水平受力不均勻，角點(diǎn)位置處的樁基受力最為不利，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)以此樁基作為控制性因素。

[1]劉金礪.樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990：176-177.

[2]張雄文，董學(xué)武，李 鎮(zhèn).蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)群樁效應(yīng)研究.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(2):101-104.

[3]JTGD63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]韓理安.水平承載樁的計(jì)算.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2004.

[5]葉萬(wàn)靈，時(shí)蓓玲.樁的水平承載力實(shí)用非線性計(jì)算方法NL法.巖土力學(xué)，2000,21(2):97-101.

[6]王君杰,陳 誠(chéng).橋墩在船舶撞擊作用下的損傷仿真研究.工程力學(xué),2007,24(7):156-160.

Thebearingcapacityofthedumbbellshapedpile-capandgrouppilesundershipimpactload

HaoCuiCaoXinlei

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co., Ltd， Hefei 230088， China)

Bytakingthedumbbellshapedcapsupportingofcable-stayedbridgeastheresearchobject,thistextanalyzedtheruleofhorizontalbearingforthepilegroupfoundationundershipimpactloadcase,usingfiniteelementanalysissoftwareMidas-civil&Ansys.Thecalculationresultsshowthattherehasobviousdifferencebetweenthenumericalcalculationandthetraditional“m”method,andthenumericalcalculationaremoretallywiththeactualsituationcomparedwiththe“m”method.

pilegroupfoundation，horizontalload，shipimpactload，finiteelementanalysis

1009-6825(2015)01-0157-03

2014-10-26

郝 翠(1985- )，女，碩士，工程師； 曹新壘(1986- )，男，碩士，助理工程師

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