徐洪昌

（義烏市共濟(jì)交通有限公司，浙江 義烏 322000）

引言

最近幾年隨著船舶運輸?shù)募哟螅瑯蛄菏盏酱白矒舳顾臅r間偶爾會產(chǎn)生，特別是在廣東省的過道上發(fā)生的船舶撞擊橋梁倒塌事件，引起了業(yè)界人士的重視，這對促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平和技術(shù)起到了一定的促進(jìn)作用。這些撞船事故引起工程師在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，尤其是在對橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計過程中，要把豎向承載能力與水平承載能力放到同樣重要的位置來看待。由于我國公路橋梁很多都是有了樁基礎(chǔ)，在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(2007)》里面，對于樁基礎(chǔ)的豎向承載能力有著詳細(xì)的計算方法的規(guī)定，但樁基礎(chǔ)的水平抗力的計算并沒有進(jìn)行詳細(xì)的描述，而且相關(guān)的研究成果也很少。因此為了解決橋梁基礎(chǔ)的撞船安全設(shè)計問題，在對國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，對深水高樁基礎(chǔ)水平抗力的計算方法等做出了深入的分析，得出了基于非線性有限元分析的計算步驟和方法，并在工程實例的分析下雨當(dāng)前使用的規(guī)范計算方法進(jìn)行了認(rèn)真的對比。

1 關(guān)于橋梁樁基礎(chǔ)水平抗力非線性有限元的計算

1.1 對材料本構(gòu)關(guān)系的分析

(1)針對無約束混凝土，可使用H ognestad本構(gòu)模型，它的表達(dá)式為：表達(dá)式中:fc是混凝土應(yīng)力；ε是混凝土應(yīng)變；ε0是混凝土峰值應(yīng)變；f′c是混凝土28d的圓柱體抗壓強(qiáng)度，它與標(biāo)準(zhǔn)棱柱體(150mm×150mm×300mm)抗壓強(qiáng)度R0c的關(guān)系式是：

(2)對于受箍筋約束的混凝土,其本構(gòu)關(guān)系可使用Mander模型，即

公式里面：

公式里面：fl′是約束混凝土的有效側(cè)向約束應(yīng)力;ke是有效約束的核心混凝土面積與核心混凝土總面積之比；ρs為箍筋的體積配筋率，ρs=Asp/(D s′)；fyh、Asp分別是箍筋的屈服強(qiáng)度和截面積；D′、s分別是箍筋的環(huán)箍直徑和箍筋間距；εsu為箍筋拉斷時的應(yīng)變；fcc′、εcc和εc分別為約束混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和約束混凝土應(yīng)變。當(dāng)εc=εcu時，表示約束混凝土由于橫向箍筋失效導(dǎo)致其應(yīng)變達(dá)到極值；截面抗彎承載能力達(dá)到極限狀態(tài)的標(biāo)志就是約束混凝土受壓區(qū)邊緣的壓應(yīng)變達(dá)到極值。

1.2 對橋梁高深樁結(jié)構(gòu)分析模型

1.2.1 計算模型

橋梁深水高樁基礎(chǔ)的計算模型如圖1所示，在計算模型中，采用梁單元模擬橋梁的上部結(jié)構(gòu)、橋墩和樁，將承臺模擬為剛性塊，采用非線性彈簧描述土，計算模型中考慮了幾何非線性的影響。

圖1 計算模型示意圖

1.2 水平抗力計算的基本假定與流程

深水高樁基礎(chǔ)水平抗力的計算與流程 (圖2)采用了如下假定：(1)截面在彎矩作用下，變形滿足平截面假定；(2)鋼筋和混凝土之間的受力過程中始終保持牢固粘結(jié)；(3)單元兩端之間的截面內(nèi)力按線性內(nèi)插，取單元兩端面的平均剛度作為單元剛度；(4)立柱和樁基截面在偏心受壓狀態(tài)下，受壓混凝土區(qū)最外緣壓應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變(按材料本構(gòu)關(guān)系確定)，并認(rèn)為截面達(dá)到極限抗彎能力。由于在計算中考慮了幾何與材料非線性，因此采用增量加載方式進(jìn)行數(shù)值計算。水平荷載的增量為ΔP，設(shè)第1步的求解已經(jīng)完成，則可以計算該步控制截面的軸力Ni和彎矩Mi。對軸力Ni和彎矩Mi作用下截面開裂情況的判斷需根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，通過迭代確定ε和φ。在本研究中采用美國加州大學(xué)伯克利分校編寫的Cyber程序來實現(xiàn)這個過程。截面極限抗彎能力由受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變值控制。當(dāng)截面接近極限彎矩后將導(dǎo)致非常大的變形，此時結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，所對應(yīng)的水平荷載之和即為基礎(chǔ)的水平抗力。上述計算過程如圖2所示。

圖2 樁基礎(chǔ)水平抗力的計算原理和流程

3 結(jié)語

本文將深水高樁基礎(chǔ)作為研究的對象，考慮土的非線性特性和結(jié)構(gòu)的非線性特點，闡述了基于非線性有限元計算樁基礎(chǔ)水平抗力的方法，對某國道上大橋進(jìn)行了實際計算，在按照我國現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計思想而提出的計算方法做出了對比分析，計算結(jié)果顯示文中所研究的方法用于該類橋梁樁基礎(chǔ)的防撞設(shè)計更加科學(xué)。針對深水高樁基礎(chǔ)橋梁的防撞等研究設(shè)計，未來的研究空間還很大，本文研究的方法和結(jié)果，需要在實踐中進(jìn)行更好的檢驗。

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