鋼管樁施工中的拒錘安全性分析

王 保 計

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

鋼管樁施工中的拒錘安全性分析

王 保 計

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257026)

針對海洋導(dǎo)管架平臺鋼管樁施工中的拒錘現(xiàn)象，利用有限元軟件建立樁的分析模型，對拒錘時樁體動態(tài)響應(yīng)進行分析，得出樁體的應(yīng)力分布及變形曲線，結(jié)果表明利用ANSYS中的動力分析模塊可以較好的模擬出鋼管樁拒錘時樁體的動力響應(yīng)，該方法可為工程優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

鋼管樁，打樁，拒錘，應(yīng)力分布

海洋樁基平臺是利用開口鋼管樁作為支撐結(jié)構(gòu)的平臺，主要由下部基礎(chǔ)和上部組塊組成，而下部基礎(chǔ)主要由導(dǎo)管架和打入導(dǎo)管架腿內(nèi)的鋼樁組成。海洋樁基平臺鋼樁一般采用開口鋼樁，施工時利用樁錘的沖擊機械能克服土體對樁的側(cè)摩阻力和端阻力，使土體的靜力平衡破壞，樁體下沉達到設(shè)計深度。就勝利油田埕島海域而言，海洋平臺用鋼樁樁徑為1.0 m～1.8 m，入泥深度在50 m～90 m之間，采用沖擊錘打入的施工方式。鋼管樁的施工過程中，隨著樁體的打入，不同的土層土壤條件均在變化，當樁端的土質(zhì)較硬(如遇鐵板砂土層)、停錘時間過長、停錘接樁位于密實的砂層等不利條件時，易造成拒錘現(xiàn)象。施工中的拒錘必然會拖延海上安裝的工期，同時也將增加昂貴的船只租賃費用、施工人員費用、樁錘租賃費等工程建設(shè)費用。對于工程安全角度而言，開口鋼樁是采用沖擊法打樁，發(fā)生拒錘時沖擊錘的樁側(cè)土體已經(jīng)擾動，樁端無法進尺，沖擊能易使鋼管樁發(fā)生縱向壓曲而破損。本文利用ANSYS的動力分析功能進行模擬拒錘時樁端、樁身及樁頂部具體的動力響應(yīng)情況。

1 邊界條件

開口鋼管樁施工時，如遇拒錘情況，樁端下沉基本停止，此時作用于樁頭的錘擊能量傳遞給樁身。由于打樁過程中樁體表面的土體有效應(yīng)力降低，樁端的阻力較大。對有限元分析模型的邊界條件簡化如下：1)打樁時樁側(cè)土體的有效應(yīng)力較小，忽略樁側(cè)阻力；2)拒錘發(fā)生時，在樁錘的打擊下樁體無法下沉，樁端的土體模擬為剛體。其中對于邊界條件1)的解釋為在打樁過程中，由于拒錘樁沒有進尺，樁側(cè)的土體發(fā)生擾動，樁側(cè)阻力小的多，因此假設(shè)比較合理。在打樁過程中對樁體的最不利時刻發(fā)生拒錘情況下，計算中假設(shè)樁端的樁土作用為剛性接觸。該計算分析的條件是樁錘對樁管的沖擊作用，沖擊力即是樁錘的慣性力。計算方法采用瞬態(tài)動力學(xué)分析(亦稱時間歷程)法，對鋼管樁在樁錘打擊下的受力、應(yīng)力狀態(tài)進行分析，計算中考慮狀態(tài)非線性。

2 荷載組合

在打樁作業(yè)時，作用于樁體的外荷載主要由樁的自重、打樁錘重量以及打樁錘下落到樁頂?shù)膭恿_擊力組成。樁體的自重與打樁錘的重量模擬成靜荷載，按照樁體的傾斜角度分解后施加到樁端相應(yīng)的節(jié)點上。打樁錘的動力作用主要是沖擊力，在ANSYS的動力模塊中設(shè)置求解時間，并將打樁錘的實際能效輸入到軟件中，將軟件中關(guān)于求解選線的相關(guān)輸入能量選項的參數(shù)。根據(jù)相關(guān)打樁工程經(jīng)驗，輸入打樁拒錘的時間參數(shù)，如打樁時間，錘擊頻率等施工相關(guān)參數(shù)，形成動力分析的外加能量文件。施工中擬采用D128型的沖擊柴油錘，D128筒式柴油打樁錘為內(nèi)打擊能量較大的筒式柴油打樁錘，該錘的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 D128型樁錘參數(shù)表

3 數(shù)值分析

分析所選模型為勝利埕島油田某平臺預(yù)打加固樁，平臺作業(yè)水深13.0 m，樁長74.3 m，壁厚為2.4 cm，2.8 cm，3.0 cm的變壁厚開口鋼管樁(見圖1)。根據(jù)樁體的外形參數(shù)在ANSYS中建立分析實體模型(見圖2)，對建立的實體模型劃分有限元單元網(wǎng)格，根據(jù)樁錘參數(shù)定義荷載隨時間變化的相關(guān)荷載參數(shù)。為模擬分析樁體在拒錘發(fā)生時樁體本身的應(yīng)力分布，將邊界條件簡化為樁端固定邊界條件，樁頭為自由端，樁與導(dǎo)管之間為接觸關(guān)系，并將有限元模型的下部單元約束。

ANSYS動力分析模塊應(yīng)用中心差分方法對運動方程進行顯示積分，應(yīng)用一個增量步的動力學(xué)條件計算下一個增量步的動力學(xué)條件。在增量步開始時，程序求解動力學(xué)平衡方程，表示為用節(jié)點質(zhì)量矩陣M乘以節(jié)點加速度ü等于節(jié)點的合力(在所施加的外力P與單元內(nèi)力I之間的差值)：

Mü=P-I

(1)

在當前增量步開始時(t時刻)，計算加速度為：

(2)

由于顯示算法總是采用一個對角的或者集中的質(zhì)量矩陣，所以求解加速度并不復(fù)雜，不必同時求解聯(lián)立方程。任何節(jié)點的加速度完全取決于節(jié)點質(zhì)量和作用在節(jié)點上的合力，使得節(jié)點計算的成本非常低。

對加速度在時間上進行積分采用中心差分方法，在計算速度的變化時假定加速度為常數(shù)。應(yīng)用這個速度的變化值加上前一個增量步中點的速度來確定當前增量步中點的速度：

(3)

速度對時間的積分加上在增量步開始時的位移以確定增量步結(jié)束時的位移：

(4)

4 結(jié)語

1)在海上鋼管樁的工程設(shè)計中可以利用ANSYS的動力分析模塊對樁體進行動力響應(yīng)，模擬打樁發(fā)生拒錘時樁體的應(yīng)力、變形情況，為樁體設(shè)計提供參考，為優(yōu)化工程設(shè)計提供依據(jù)。

2)在樁端2 m和樁頭3 m的范圍內(nèi)為最危險區(qū)域，該處樁端壁厚應(yīng)適當加厚且與相鄰樁端壁厚的變化不應(yīng)較大。

[1] 王 赫.樁基礎(chǔ)工程施工與組織管理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

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[5] API RP 2A. Recommended practice for planning, design and

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On safety analysis of hammer repelling in steel pipe piles

Wang Baoji

(SinopecPetroleumEngineeringCorporation,Dongying257026,China)

According to the hammer repelling on ocean jacket platform for steel pipe piles, the paper adopts the finite element software to establish the analysis model of the pole, undertakes the dynamic response analysis of the pile in the hammer repelling process, concludes the stress distribution and deformation curves, and reflects by the results that the dynamic analysis model in ANSYS can better simulate the dynamic response pf the piles in the repelling process, so as to provide some reference for optimizing design in projects by the method.

steel pipe pile, piling driving, hammering repelling, stress distribution

2014-12-15

王保計(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0070-03

U655.544

A