橫豎向荷載共同作用對H 型鋼樁橫向承載力的影響分析

甘采華 吳冬蘭

摘要：由于H型鋼樁受力性能良好，常被用于整體橋樁基礎(chǔ)中。文章通過建立有限元模型，分析橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁基橫向承載力的影響，得出了在橫豎向荷載作用下H型鋼樁基最大水平變形的理論計算式，其計算值與有限元計算值吻合良好。結(jié)果表明：考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應(yīng)力提高了4.89%，強軸水平受力的H型鋼樁的最大位移降低了23.6%，豎向荷載可能降低H型鋼樁的橫向承載力;橫豎向荷載作用下，H型鋼樁的最大變形均出現(xiàn)在樁頂位置處，強軸水平受力的樁基更易變形，樁基應(yīng)力更大，但弱軸水平受力時，樁基屈服范圍更廣;強軸水平受荷時，最大變形為155.5 mm，相對弱軸水平受荷時的大44.79%;樁頂達到極限承載力時對應(yīng)的樁頂位移相差不大，但強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。設(shè)計時應(yīng)考慮將H型鋼樁的強軸向設(shè)為水平受力方向，并考慮豎向荷載對樁基橫向受力的影響。

關(guān)鍵詞：橫豎向荷載;H型鋼樁;整體橋樁基礎(chǔ);強軸;弱軸

0 引言

隨著橋梁使用年限的增加，橋梁伸縮縫的病害越來越嚴重，而且伸縮縫破壞帶來的養(yǎng)護維修費用與養(yǎng)護時中斷交通引起的間接費用數(shù)額巨大[1]。針對伸縮縫的耐久性問題，有學(xué)者提出：“沒有伸縮縫就是最好的伸縮縫。”整體式橋臺橋梁取消了橋臺處的伸縮縫與支座，其上部結(jié)構(gòu)主梁與下部結(jié)構(gòu)橋臺、樁基形成整體[2]。

H型鋼樁由于具有截面形狀經(jīng)濟合理，力學(xué)性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于國外整體橋樁基中[3]。目前，已有較多學(xué)者針對H型鋼樁的受力性能進行研究。SA Huntley等對一座帶H型鋼樁的整體橋進行了長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)溫度作用會對整體橋的受力造成影響，并對整體橋的溫度變形機制進行了分析[4]。齊朝陽對帶H型鋼樁的整體式橋臺節(jié)點抗震性能進行分析，得出了整體式橋臺-H型鋼樁節(jié)點的受力性能與破壞機理[5]。Dicleli等對帶H型鋼樁的剛性整體橋進行了水平往復(fù)擬靜力試驗，分析了H型鋼樁與橋臺的連接方式對橋臺的受力性能等的影響，結(jié)果表明，橋臺與H型鋼樁固結(jié)時能顯著提高H型鋼樁抗變形能力[6]。

對于整體橋，樁基除了需要承受豎向荷載作用，還需要承受溫度及地震下主梁產(chǎn)生的水平力作用，且在橫豎向荷載作用下，樁的受力情況不是二者的簡單疊加[7]。因此，本文采用有限元分析軟件對H型鋼樁在橫豎向荷載作用下的受力性能進行研究，相關(guān)結(jié)果可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算提供參考。[=XQS（]橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁橫向承載力的影響分析/甘采華，吳冬蘭[=JP2]1 樁基在橫豎向荷載作用時彎曲理論分析

對于如圖1所示的一端固定、另一端自由的柔性樁基而言，當(dāng)樁頂在橫向荷載與豎向荷載共同作用時，樁基任意截面的彎矩M（x）可按式（1）計算：

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 幾何尺寸

某整體橋跨徑為（42.67+44.81） m，上部結(jié)構(gòu)主梁采用梁高為1.63 m的工字鋼板梁，混凝土橋面板厚度為0.21 m;下部結(jié)構(gòu)采用整體式橋臺，橋臺高度為2.87 m，厚度為0.91 m，樁基為H型鋼樁。主梁與H型鋼樁采用Q345鋼材。其中，H型鋼樁的尺寸為246 mm×256 mm×10 mm×10 mm，如圖2所示。為滿足柔性樁長的需求，本文采用的樁長為1.7 m。

2.2 有限元模型

本文中，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用簡單二折線模型。其中，鋼材彈性模量Es=2.0×105 MPa，泊松比為0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。H型鋼樁的屈服強度fy=345 MPa，極限強度為fu=460 MPa。采用大型通用有限元軟件ABAQUS進行分析。模擬時，H型鋼樁采用實體單元進行建模分析，網(wǎng)格劃分尺寸為50 mm。H型鋼樁的底端采用固定邊界，在頂端中心施加一軸向力FN=800 kN，以模擬樁基受到的來自橋臺的壓力;在樁頂以下0.1 m處施加一位移荷載FH=100 mm，以模擬主梁受到的水平位移作用。此外，為分析H型鋼樁的強弱軸朝向?qū)κ芰π阅艿挠绊懀溆邢拊Ｐ腿鐖D3所示，并建立僅強軸受橫向荷載作用的H型鋼樁模型作比較。定義豎向荷載作用下，強軸受水平荷載的H型鋼樁編號為SH-1;不考慮豎向荷載作用的H型鋼樁編號為SH-2;豎向荷載作用下，弱軸受水平荷載的H型鋼樁編號為WH-1。

3 樁基力學(xué)性能分析

3.1 樁基應(yīng)力分析

3.1.1 豎向荷載的影響

圖4（a）和圖4（b）分別為有無豎向荷載共同作用時，H型鋼樁SH-1與SH-2的等效應(yīng)力分布云圖。從圖4（a）可以看出，考慮豎向荷載時，H型鋼樁的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在固定端樁底的翼緣處，最大等效應(yīng)力為338.6 MPa;而不考慮豎向荷載時，H型鋼樁的最大等效應(yīng)力為322.9 MPa。由此可知，考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應(yīng)力提高了約4.89%。說明橫豎向荷載作用可能會降低H型鋼樁的橫向承載力，計算樁基橫向承載力時應(yīng)考慮豎向荷載的影響。

3.1.2 H型鋼樁朝向的影響

圖5為橫豎向荷載共同作用下，弱軸水平受力的H型鋼樁WH-1的等效應(yīng)力分布云圖。比較圖4（a）與圖5可知，弱軸水平受荷的H型鋼樁WH-1的最大等效應(yīng)力為340.2 MPa，主要出現(xiàn)在固定端樁底的翼板與腹板連接處以及1.2～2.6倍樁徑的樁身高度處，比強軸水平受荷稍大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，H型鋼樁的弱軸截面更不易變形;相反的，強軸水平受荷時，H型鋼樁更易變形，且固定端對變形限制很大，使得樁基應(yīng)力更大。

3.2.1 豎向荷載的影響

圖6（a）和圖6（b）為分別為有無豎向荷載共同作用時，H型鋼樁SH-1與SH-2的變形前后云圖。其中，黑色線框為H型鋼樁變形前的情況。從圖6（a）可知，橫豎向荷載作用下，樁的最大位移為0.127 m，與式（6）計算值0.11 m較為接近。不考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大位移為0.157 m，比考慮豎向荷載時的要大23.6%。說明考慮豎向力后，限制了H型鋼樁的橫向變形，但也造成樁身應(yīng)力變大。圖7為有無豎向荷載影響的沿樁身方向的水平變形曲線對比圖。由圖7可知，SH-2的水平變形速率明顯緩于SH-1，但SH-1在樁底產(chǎn)生了明顯屈曲變形。

3.2.2 H型鋼樁朝向的影響

圖8為橫豎向荷載作用下，H型鋼樁WH-1的變形前后云圖。從圖8可知，弱軸水平受荷的H型鋼樁WH-1的沿FH作用方向的最大變形出現(xiàn)在樁頂位置處，其值為107.6 mm，相比強軸受荷樁降低了15%。圖9為沿樁身方向的水平變形曲線對比圖。由圖9可知，橫豎向荷載作用下H型鋼樁在樁底會產(chǎn)生屈曲變形，但強軸水平受荷時的H型鋼樁變形能力更強。

3.3 樁頂水平荷載-位移曲線

圖10為各H型鋼樁樁頂?shù)乃胶奢d-位移曲線。由圖10可知，強軸水平受荷的H型鋼樁在橫豎向荷載作用時，其極限承載力為162.55 kN，對應(yīng)的位移為19.91 mm;僅在橫向荷載作用時的極限承載力為165.5 kN，對應(yīng)的位移為19.42 mm;弱軸水平受荷的H型鋼樁在橫豎向荷載作用時，其極限承載力為60.28 kN，對應(yīng)的位移為23.71 mm。由此可知，達到橫向極限承載力時，SH-1與WH-1對應(yīng)的樁頂位移區(qū)別不大，在20 mm左右;但極限承載力相差很大，強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。橫豎向荷載共同作用下，由于水平荷載FH的作用方向不同，對應(yīng)的截面剛度不一樣，強軸水平受力時，H型鋼樁截面能有效抵抗彎曲。豎向荷載對樁基的橫向運動稍有限制，但對橫向承載力的影響較小，考慮豎向荷載后，橫向承載力降低了2%左右。

4 結(jié)語

本文進行橫豎向荷載共同作用對H型鋼樁基橫向承載力的影響分析，所得結(jié)論如下：

（1）對樁基在橫豎向荷載作用時彎曲理論進行分析，得出了樁基在橫豎向荷載作用下樁基的最大水平變形的理論計算式，其計算值與有限元計算值吻合良好。

（2）考慮豎向荷載后，H型鋼樁的最大等效應(yīng)力提高了4.89%，表明豎向荷載可能降低H型鋼樁的橫向承載力，計算樁基橫向承載力時應(yīng)考慮豎向荷載的影響。橫豎向荷載作用下，強軸水平受力的樁基更易變形，樁基應(yīng)力更大，但弱軸水平受力時，樁基屈服范圍更廣。

（3）考慮豎向荷載后，強軸水平受力的H型鋼樁的最大位移降低了23.6%。橫豎向荷載作用下，H型鋼樁的最大變形均出現(xiàn)在樁頂位置處。弱軸水平受荷時，最大變形為107.4 mm，強軸水平受荷時，最大變形為155.5 mm，相對弱軸水平受荷時的大44.79%。

（4）由樁頂?shù)乃胶奢d-位移曲線分析可得，樁頂達到極限承載力時對應(yīng)的樁頂位移相差不大，但強軸水平受荷時的承載力是弱軸水平受荷時的2.7倍。豎向荷載對樁基的橫向運動稍有限制，但對橫向承載力的影響較小，考慮豎向荷載后，橫向承載力降低了2%左右。

參考文獻：

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